УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ЖИДКОСТИ
LIQUID FLOW RATE MEASURING DEVICE

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерению расхода жидкостей и может быть использовано в автоматизированных системах управления технологическими процессами в воздухоразделительных установках.
Известно устройство для измерения расхода жидкости содержащее измерительный блок и преобразователь в унифицированный сигнал, [см., например, патент RU 2247328 С2, МПК G01F 1/52, дата публикации 27.02.2005]. Измерительный блок выполнен в виде цилиндра с входным и выходным отверстиями. Во входном отверстии установлена труба для подвода жидкости. В выходном отверстии установлена щелевая труба с вертикальным щелевым отверстием. Верхний конец щелевой трубы расположен относительно торцевой поверхности цилиндра на расстоянии ее диаметра. Устройство работает следующим образом: поток жидкости через трубу, приваренную к верхнему фланцу, поступает в вертикальный цилиндр, закрытый с торцов фланцами. Внутри цилиндра находится труба, приваренная к нижнему фланцу. Высота трубы внутри цилиндра подбирается таким образом, чтобы между верхним торцом трубы и верхним фланцем имелся зазор, равный диаметру трубы. На части трубы, расположенной внутри цилиндра, по образующей трубы имеется щелевое отверстие, через которое из цилиндра внутрь трубы истекает и через нее выводится из устройства находящаяся внутри цилиндра жидкость. При повышении уровня жидкости внутри цилиндра увеличивается высота уровня жидкости, а также площадь щелевого отверстия, через которое происходит истечение жидкости из цилиндра. Уровень жидкости внутри цилиндра будет тем выше, чем большее количество жидкости в единицу времени поступает в цилиндр по трубе, а также чем меньшая ширина щелевого отверстия. К нижнему фланцу приварен штуцер, который соединен импульсной трубкой с преобразователем. Преобразователь измеряет величину гидростатического давления, образованного жидкостью внутри цилиндра, и преобразовывает эту измеренную величину в пропорциональный величине гидростатического давления управляющий импульс, например, пневматический или электрический. Увеличивая или уменьшая ширину щели, возможно соответственно увеличивать или уменьшать предел измерения расхода жидкости устройством.
К основным недостаткам данного устройства следует отнести ограниченный диапазон измерения расхода жидкости, определяемый геометрическими размерами щелевого отверстия, имеет высокую погрешность при измерении малых расходов жидкости, большие вертикальные габариты устройства.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности признаков является устройство для измерения расхода жидкости (Д.Л. Глизманенко Получение кислорода. Изд. 5-е. М. «Химия» 1972, с. 639), которое состоит из сборника жидкости, мерного бачка, снабженного выходным соплом, приемником жидкости для успокоения потока жидкости, поступающей в мерный бачок. Высота столба жидкости в мерном бачке пропорциональна ее расходу и измеряется указателем уровня. Давление столба жидкости может передаваться на поплавковый датчик, который соединен со вторичным указывающим и регистрирующим прибором. Прибор снабжен суммирующим счетчиком и устанавливается на щите управления.
К основным недостаткам рассмотренного устройства следует отнести ограниченный диапазон измерения расхода жидкости определяемый вертикальным размером мерного бачка и геометрическими размерами выходного сопла, расширение диапазона измерения требует увеличения вертикальных габаритов устройства.
Техническим результатом является расширение диапазона измерения как малых, так и больших расходов жидкости, за счет применения вместо калибровочного сопла, механизма регулирования потока жидкости, с изменяемой площадью проходного сечения.
Техническим результатом является существенное расширение диапазона измерения расхода жидкости без увеличения вертикальных габаритов устройства и необходимости использования различных калиброванных сопел, за счет применения сопла с механизмом регулирования площади поперечного сечения.
Технический результат достигается тем, что в устройстве измерения расхода жидкости, содержащее мерный бачок с приемником жидкости и выходным соплом, датчик уровня и регистрирующий прибор, выходное сопло снабжено механизмом регулирования площади поперечного сечения, дополнительно введены последовательно соединенные датчик положения механизма регулирования площади поперечного сечения выходного сопла и блок управления, который через первый выход воздействует на механизм регулирования площади поперечного сечения выходного сопла, при этом выход датчика уровня соединен с первым входом, а выход датчика положения механизма регулирования площади поперечного сечения выходного сопла со вторым входом блока управления, второй выход блока управления соединен со входом регистрирующего прибора, выход которого является выходом устройства.
Сущность изобретения заключается в том, что выходное сопло снабжено механизмом регулирования площади поперечного сечения, дополнительно введены последовательно соединенные датчик положения механизма регулирования площади поперечного сечения выходного сопла, и блок управления, который через первый выход воздействует на механизм регулирования площади поперечного сечения выходного сопла, при этом выход датчика уровня соединен с первым входом, а выход датчика положения механизма регулирования площади поперечного сечения выходного сопла со вторым входом блока управления, второй выход блока управления соединен со входом регистрирующего прибора, выход которого является выходом устройства.
Сущность изобретения поясняется фигурой, на которой представлена блок схема устройства, где обозначено:
1 - мерный бачок;
2 - приемник жидкости;
3 - выходное сопло, снабженное механизмом регулирования площади поперечного сечения;
4 - датчик уровня;
5 - датчик положения механизма регулирования площади поперечного сечения выходного сопла;
6 - блок управления;
7 - регистрирующий прибор;
1
2
I-I, II-II - сечения, определяющие положения уровня жидкости при высоте h=h и h=0 соответственно;
1
1
1
1
При непрерывном поступлении жидкости в устройство производится стабилизация уровня жидкости в мерном бачке заданного значения h=h за счет изменения величины потока жидкости, выходящей из мерного бачка через выходное сопло 3, путем изменения площади поперечного сечения выходного сопла 3. Уровень жидкости в мерном бачке определяется датчиком уровня 4. При этом, в случае уменьшения уровня жидкости в мерном бачке ниже заданного значения h<h, воздействуя на механизм регулирования площади поперечного сечения выходного сопла 3, уменьшают площадь поперечного сечения выходного сопла 3 и, соответственно, величину потока жидкости, уходящего из мерного бачка через выходное сопло. При увеличении уровня жидкости в мерном бачке выше заданного значения h>h, воздействуя на механизм регулирования площади поперечного сечения выходного сопла 3, увеличивают площадь поперечного сечения выходного сопла 3, а соответственно, и величину потока жидкости, уходящего из мерного бачка через выходное сопло. При достижении стабилизированного значения уровня жидкости в мерном бачке h=h, что будет соответствовать равенству величины потока жидкости, поступающей в мерный бачок 1 из приемника жидкости 2, величине потока жидкости, выходящего из мерного бачка 1 через выходное сопло 3, расход жидкости, выходящей из мерного бачка через выходное сопло 3 определяется по формуле
3
2
2
2
1
1
2
1
где ρ - плотность жидкости, кг/м; S - суммарная площадь сечения полостей мерного бачка 1 и датчика уровня 4 при уровне h, равном заданному значению, м; k - поправочный коэффициент, учитывающий свойства жидкости, режим ее течения в выходном сопле 3 и конструктивные особенности устройства, определимый экспериментально; S - площадь сечения выходного сопла 3, измеряемая датчиком 5 положения механизма регулирования площади поперечного сечения выходного сопла, м; g - ускорение свободного падения, м/с; h - уровень жидкости в мерном бачке измеряемый датчиком уровня 4, м.
Формулу (1) для определения расхода жидкости через выходное сопло получают следующим образом.
Принимая, допущение об идеальности жидкости и в соответствии с фигурой для сечений I-I и II-II уравнение Бернулли записывается в виде
3
2
1
2
1
2
1
2
где ρ - плотность жидкости, кг/м; υ и υ - скорость потока жидкости в сечениях I-I и II-II соответственно, м/с; g - ускорение свободного падения, м/с; h - уровень жидкости в мерном бачке в сечении I-I, м; h - уровень жидкости в сечении II-II, м; P - давление в мерном бачке, Па; Р - давление за выходным соплом, Па.
1
2
2
Учитывая, что P=P и h=0 равенство 2 может быть записано в виде
Линейная скорость потока жидкости может быть выражена через его массовые расходы в сечениях I-I и II-II
1
2
1
2
2
2
где G и G - массовые расходы жидкости через сечения I-I и II-II, S - площадь, занятая жидкостью в сечении I-I, м; S - площадь поперечного сечения выходного сопла в сечении II-II, м.
1
1
2
Подставляя выражения (4) и (5) в (3) и учитывая, что при неизменном уровне h массовые расходы жидкости через сечения I-I и II-II равны (G=G=G), получим
Выразив из (6) величину массового расхода жидкости через выходное сопло, получим уравнение для определения массового расхода жидкости через выходное сопло
В уравнение (7) введен дополнительно коэффициент k (см. формулу 1), позволяющий учесть наличие вязкости у реальной жидкости, ее режим течения в выходном сопле и конструктивные особенности выходного сопла и механизма регулирования площади поперечного сечения. Данный коэффициент определяется экспериментально.
2
1
Механизм регулирования площади поперечного сечения 3, предназначен для регулирования величины потока жидкости, выходящей из мерного бачка через выходное сопло в сечении h=0 при заданном гидростатическом давлении, определяемым уровнем жидкости в мерном бачке h=h, за счет изменения площади поперечного сечения выходного сопла. Выходное сопло 3, снабженное механизмом регулирования площади поперечного сечения, может быть выполнено, например, в виде клапана регулирующего по ГОСТ 12893-2005, а привод может быть механическим, электрическим, гидравлическим или пневматическим.
Датчик положения механизма регулирования площади поперечного сечения выходного сопла 5 предназначен для формирования сигнала, пропорционального величине площади поперечного сечения выходного сопла 3, подаваемого на второй вход блока управления 6. Датчик положения механизма регулирования площади поперечного сечения выходного сопла 5 может быть механического, резистивного, индуктивного, емкостного или оптического принципа действия.
Блок управления 6 предназначен для получения сигнала от датчиков уровня 4 и положения механизма регулирования площади поперечного сечения выходного сопла 5 и формирования сигнала управления механизмом регулирования площади поперечного сечения выходного сопла 3 пропорционального величине рассогласования сигнала датчика уровня 4 и заданного значения, расчета величины расхода жидкости проходящей через устройство на основании сигнала, поступающего от датчика 5 и кодирования информации о расходе жидкости для передачи ее на регистрирующий прибор 7. Блок управления имеет два входа, соединенных с выходами датчика уровня 4 и датчика положения механизма регулирования площади поперечного сечения 5 и два выхода, соединенных со входом механизма регулирования площади поперечного сечения выходного сопла 3 и входом регистрирующего прибора 7. Блок управления может быть выполнен на основе программируемого микроконтроллера или электронно-вычислительной машины. Для повышения качества работы устройства блок управления 6 может использовать алгоритмы как пропорционального, так и пропорционально-интегрального или пропорционально-интегрально-дифференциального регуляторов.
В процессе работы устройства, приведенного на фигуре, поток жидкости поступает в приемник жидкости 2, из него в мерный бачок 1 и далее выходит из устройства через выходное сопло 3, снабженное механизмом регулирования площади поперечного сечения. Для обеспечения равенства потоков жидкости, поступающего в мерный бачок из приемника жидкости 2 и выходящего из мерного бачка через выходное сопло 3, обеспечивается поддержание заданного уровня жидкости в мерном бачке следующим образом. Уровень жидкости в мерном бачке 1 измеряется при помощи датчика уровня 4, сигнал с выхода которого поступает на первый вход блока управления 6 и сравнивается в блоке управления 6 с предварительно настроенным, заданным значением. Блок управления 6 формирует сигнал управления механизмом регулирования плошади поперечного сечения выходного сопла 3 пропорциональный величине рассогласования сигнала датчика уровня 4 и заданного значения. Полярность сигнала управления соответствует знаку величины рассогласования: площадь поперечного сечения сопла 3 увеличивается, при превышении заданного уровня жидкости в мерном бачке 1; площадь поперечного сечения сопла 3 уменьшается, если уровень жидкости в мерном бачке 1 ниже заданного. По мере стабилизации уровня жидкости в мерном бачке, что указывает на равенство потоков жидкости, поступающего в мерный бачок 1 из приемника 2 и уходящего из мерного бачка 1 через выходное сопло 3, снабженное механизмом регулирования площади поперечного сечения, блок управления 6 вычисляет расход жидкости G, кг/с через выходное сопло 3 на основании сигнала от датчика положения механизма регулирования площади поперечного сечения выходного сопла 5, поступающего на второй вход блока управления 6, по формуле
3
2
2
2
1
1
2
1
где ρ - плотность жидкости, кг/м; S - суммарная площадь сечения полостей мерного бачка 1 и датчика уровня 4 при уровне h, равном заданному значению, м; k - поправочный коэффициент, учитывающий свойства жидкости, режим ее течения в выходном сопле 3 и конструктивные особенности устройства, определимый экспериментально; S - площадь сечения выходного сопла 3, м; g - ускорение свободного падения, м/с; h - уровень жидкости в мерном бачке, м.
2
1
Устройство для измерения расхода жидкости позволяет существенно расширить диапазон измерения расхода жидкости без изменения его вертикальных габаритов и необходимости использования различных калиброванных сопел. Достигается это за счет того, что расход жидкости определяется не по величине уровня жидкости в мерном бачке пропорциональной расходу через выходное сопло, а по величинам площади поперечного сечения выходного сопла S и уровня жидкости h в мерном бачке по формуле
2
1
после того, как будет обеспечено равенство потоков жидкости, поступающего в мерный бачок из приемника жидкости и выходящего из мерного бачка через выходное сопло за счет воздействия на механизм регулирования площади поперечного сечения выходного сопла и установки такого значения величины площади поперечного сечения выходного сопла S, а соответственно и величины потока жидкости, выходящего из мерного бачка через выходное сопло, при котором уровень в мерном бачке будет иметь постоянное заданное значение h=h.
Предлагаемое устройство позволяет обеспечить измерение расхода жидкости в широком диапазоне, что является очень важным при управлении технологическими процессами в воздухоразделительных установках, для которых характерны значительные пределы изменения расходов потоков жидкости вплоть до их отсутствия (пусковой период), определяемых режимом работы воздухоразделительной установки. Простота конструкции обеспечивает высокую надежность устройства.
Указанное устройство может быть изготовлено на предприятиях РФ, что соответствует критерию «промышленная применимость».