РАСХОДОМЕР-СЧЕТЧИК ГАЗА
GAS FLOW METER-COUNTER

Изобретение относится к области расходометрии и предназначено для измерения израсходованного природного газа по массе в жилищно-бытовых условиях, а модификации устройства можно использовать в энергетике, промышленности, медицине, при научных исследованиях.
Известны устройства для измерения расхода газа (патент RU №2193757, G01F 1/82, 1/12, Массовый турбинный расходомер, опубл. 27.11.2002, и патент RU №2243507, G01F 1/08, «Счетчик газа-расходомер», опубл. 27.12.2004) - [1, 2], в которых применяется тахометрический принцип измерения расхода газа. Основными недостатками аналогов являются большие габариты, низкая чувствительность к малым расходам газа, недостаточная точность измерения, отсутствие корректирующих устройств.
Прототипом предлагаемого изобретения является «Расходомер-счетчик газа» по патенту RU №2134405, G01F 1/10, опубл. 10.08.99 - [3]. В этом расходомере-счетчике газа используется радиально-осевая турбинка с лопатками и вертикальной осью вращения, выполненной в виде вала. Для стабилизации и демпфирования вращения турбинки служат коническая часть и юбка. В цилиндрической части каркаса выполнены профилированные по высоте окна, в створе которых закреплены лопатки под изменяющимися по высоте углами по отношению к оси вращения и радиальному направлению, с основным соплом, образованным конической частью каркаса и кольцевым коническим патрубком, расположенным внутри цилиндрической части каркаса турбинки, а также с дополнительными соплами и дополнительными лопатками. Расходомер-счетчик имеет корпус с входным и выходным каналами, дефлекторы, основание и кожух турбинки в виде стакана-демпфера с чередующимися пазами-окнами и стержнями, в донышках которых предусмотрены окна для прохода газа.
Прототипу присущи следующие недостатки. При использовании термоанеморезистивного преобразователя (ТАРП) на больших расходах газа характеристика выходного сигнала от входного сигнала плывет. В результате это приводит к снижению верхнего диапазона измерения. Вместо ТАРП применяется оптоэлектронный преобразователь (ОЭП). Дополнительные сопла выполнены в виде щелей, что трудоемко и не технологично.
В конструкции используются дополнительные лопатки, которые утяжеляют конструкцию турбинки, в результате уменьшается чувствительность к малым расходам газа.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, - увеличение чувствительности измерения, тем самым позволяя расширить рабочий диапазон измерения расхода газа по массе, существенно повысить точность и эксплуатационную надежность.
Технический результат достигается тем, что в расходомере-счетчике газа, содержащем корпус с входным и выходными каналами, узел радиально-осевой турбинки, размещенной в кожухе, выполненном в виде стакана-демпфера с вертикальными чередующимися пазами-окнами и выполненной с возможностью перемещения вдоль вертикальной оси вращения, представляющей собой каркас, состоящий из верхней и нижней конических частей, цилиндрической части с профилированными по высоте окнами, в створе которых установлены лопатки, юбки-демпфера и наружного кольца крепления лопаток, патрубок с внутренним коническим срезом, образующим совместно с нижней конической частью каркаса основное кольцевое сопло, и дополнительными соплами, преобразователь частоты вращения турбинки в электрический сигнал и электронную цепь обработки сигнала, новым является то, что дополнительные сопла выполнены в виде щелей, образованных скошенными в тангенциальном направлении вращения турбинки пазами, выполненными на коническом срезе патрубка, и нижней конической частью каркаса турбинки.
В предлагаемом расходомере-счетчике газа дополнительные сопла выполнены с направлением струи на область перехода радиально-осевой части лопатки в осевую.
Вертикальная ось вращения турбинки может быть выполнена в виде вала с цапфами, закрепленными в подшипниках на донышках кожуха или в виде струны с кернами, закрепленными в подшипниках на донышках кожуха.
При подвеске турбинки на валу с цапфами преобразователь частоты вращения турбинки в электрический сигнал выполнен в виде оптронного преобразователя, модулятор светового потока которого закреплен на валу и выполнен в виде оптического окна или диска с чередующимися прорезями, а на кожухе турбинки размещена оптопара.
При подвеске турбинки на струне с кернами преобразователь частоты вращения турбинки в электрический сигнал выполнен в виде оптронного преобразователя, при этом наружное кольцо крепления лопаток содержит продольные чередующиеся окна или полосы с различной отражательной способностью, а на кожухе узла турбинки закреплены элементы оптронного преобразователя, работающего на «отражение» светового потока.
При подвеске турбинки на струне с кернами преобразователь частоты вращения турбинки в электрический сигнал выполнен в виде индуктивного преобразователя, при этом наружное кольцо крепления лопаток выполнено в виде токопроводящего экрана и содержит продольные вертикальные чередующиеся окна, а на кожухе узла турбинки закреплена катушка индуктивности с ферромагнитном сердечником, включенная в электронную цепь обработки сигнала.
Расходомер снабжен манотензорезистивным корректором плотностной поправки, выполненным в виде отдельного узла-вставки, размещенным в верхней части корпуса и содержащим герметичную газонаполненную корректирующую камеру, упругий деформационный элемент с тензорезистивным преобразователем, разделяющий герметичную газонаполненную корректирующую камеру от выходной полости расходомера, терморезистивной цепочкой уменьшения остаточной температурной погрешности, подключенными в электронную цепь обработки сигнала.
Микроконтроллер электронной цепи обработки сигнала реализует
v
зависимости по измерению расхода газа по массе G=kQω и количеству израсходованного газа за время t
выраженных в приведенных единицах объемного расхода и количества, где
г
г
0
г
г
г
к
г
н
pT
г
г
г
к
г
н
v
dω
v
3
3
dG
- безразмерная чувствительность корректора плотностной поправки, учитывающая влияние на работу турбинки изменения давления р и температуры Т газа, а также коррекцию остаточной температурной погрешности расходомера в целом; k - чувствительность корректора при давлении р и температуре Т газа, равным номинальным значениям p=p и T=T; k - чувствительность корректора при отклонении давления р и температуры Т газа от номинальных размеров; р и р - давления газов в выходной полости расходомера и в корректирующей камере; µ - барометрический коэффициент основной поправки корректора; ν - температурный коэффициент поправки корректора; λ - коэффициент взаимосвязи барометрической и температурной поправок корректора; Т и Т - температура газа в выходной полости расходомера и ее номинальная величина; А - результирующий температурный коэффициент остаточной поправки корректора с учетом остаточной погрешности расходомера в целом, определяемый путем эксперимента; G - выходной сигнал по расходу газа [м/ч]; V - израсходованное количество газа, выраженное в приведенных единицах его объема [м]; kQ=/ - дифференциальная чувствительность преобразования частоты ω вращения турбинки в выходной сигнал по расходу; Q - чувствительность преобразования собственно расхода газа в частоту ω вращения турбинки, включающая масштабно-размерностный коэффициент учета приведения расхода и количества газа к объемным единицам.
Турбинка в верхней части содержит наружное крепежное кольцо, в котором закреплены лопатки, профиль выпуклости части лопатки в сечении плоскостью, перпендикулярной оси вращения турбинки, на уровне верхнего среза профилированного окна имеет эллипсовидную форму с увеличенным эксцентриситетом по отношению к другим частям лопатки, хорда выпуклости образует с радиальным направлением угол установки лопатки, равный 10°…25°, отсчитанный в противоположном вращению турбинки направлении, а в области нижней кромки лопатки - 5°…15°. Развертка на плоскость пространственной кривой лобовой кромки основной лопатки имеет форму гиперболы с плавным переходом в области верхнего среза профилированного окна от нижней до верхней части лопатки при угле γ между касательными в точках пересечения гиперболы с нижней и верхней кромками лопатки не менее 160°.
м
Оптоэлектронный преобразователь размещен на кожухе турбинки, а выход оптоэлектронного преобразователя соединен с электронным преобразователем, осуществляющим разделения сигнала оптоэлектронного преобразователя по частоте импульсов f, их интенсивности W. Для измерения давления и температуры газа в корпусе размещена манометрическая коробка, которая также соединена с электронным преобразователем. Частота импульсов f, их интенсивность W и изменение температуры ν далее используются для вычисления массового расхода G в микроконтроллере в соответствии с алгоритмом:
М
v
где ρ - плотность газа; S - площадь живого сечения потока в зоне лопастей крыльчатки; v - скорость вращения турбинки; G- массовый расход газа; Q - объемный расход газа.
Динамическое уравнение для измерения расхода определяется по следующей формуле:
и
Л
где H - ход винтовой нарезки лопастей; D - диаметр наибольшей окружности лопастей тангенциальной крыльчатки.
Постоянные величины определяются на основе проведения многофакторного эксперимента из условий минимальной дисперсии погрешностей для заданных эксплуатационных требований.
Сущность изобретения раскрывается на фиг.1…4, где
Фиг.1 - Схема узла подвешенной на струне турбинки.
Фиг.2 - Турбинный счетчик расхода газа с корректором по давлению и температуре.
Фиг.3 - Варианты размещения ОЭП.
Фиг.4 - Схема установки манотензорезистивного корректора плотностной поправки.
с
п
к
r
Здесь: 1 - державка центрирующей оси (струны); 2 - демпфирующая камера; 3 - нижний неподвижный магнит; 4 - внешнее кольцо с кольцами каркаса; 5 - дополнительные щелевые сопла; 6 - лопатка турбинки; 7 - нижняя коническая часть каркаса; 8 - верхняя коническая часть каркаса; 9 - подвижный магнит турбинки; 10 - кожух узла турбинки; 11 - верхний подшипник скольжения; 12 - верхний магнит турбинки; 13 - центрирующая ось (струна); 14 - верхний и нижний керны; 15 - нижний подшипник скольжения; 16 - конфузор (срез) конического патрубка, образующий основное сопло; 17 - нижние дефлекторы; 18 - внутреннее кольцо с регулируемыми окнами, направляющими потоки газа на лопатки; 19 - юбка каркаса (поршень) турбинки; 20 - фильтр; р и р - давление газа на нижней и верхней конических частях каркаса 7 и 8; 21 - профилированные окна; 22 - наружное кольцо крепления лопаток; 23 - внутренняя камера для выхода газа; 24 - крышка; 25 - камера для установки платы; 26 - цифровой индикатор; 27 - оптическое окно; 28 - оптический модулятор; 29 - светодиод; 30 - фотодиод; 31 - отверстия в кожухе для выхода газа; 32 - цилиндрическая часть каркаса; 33 - патрубок; 34 - кольцевая демпфирующая камера; 35 - каркас счетчика; 36 - диск с отверстиями; 37 - оптический модулятор (светодиод-фотодиод); 38 - мембрана или манометрическая коробка; 39 - крышка блока корректора; 40 - трубка-штуцер; 41 - упругий деформационный элемент с тензорезистивным преобразователем (консольная упругая балка с тензорезисторами); 42 - манотензорезистивный корректор плотностной поправки (блок корректора); 43 - электрические выводы; 44 - проточный канал; 45 - корпус расходомера; G - расход газа; р и р - давления газов в коррекционной камере и в проточном канале.
На фиг.1 приведена схема узла подвешенной на струне турбинки, которая состоит из кожуха узла турбинки 10 с нижним 7 и верхним 8 коническими дисками ступицы, радиально-осевой турбинки с вертикальной осью 13 вращения на державке центрирующей оси 1 в верхнем 11 и нижнем 15 подшипниках скольжения. На оси 13 закреплен керн 14. Турбинка состоит из нижней 7 и верхней 8 конических частей каркаса, включающего цилиндрическую часть 32 (фиг.2), а также внутреннее кольцо с регулируемыми окнами, направляющими потоки газа на лопатки 18 и юбку каркаса турбинки 19. В наружном кольце крепления лопаток 22 (фиг.2) и юбке каркаса турбинки закреплены профилированные лопатки 6 в створе профилированных окон 21 (фиг.2), выполненных в цилиндрической части каркаса 32 (фиг.2). Внутри цилиндрической части 32 каркаса турбинки (фиг.2) образовано основное сопло, созданное кольцевым патрубком 33 и нижней конической частью 7 каркаса турбинки. В верхней части патрубка 33 установлены дополнительные сопла 5 под углами 25…45° (в зависимости от требований технического задания) относительно радиального направления и 60…80° относительно оси вращения турбинки. При этом в соответствии с числом лопаток 6 и окон их протяженностью (шириной) выбираем число и "протяженность" щелей сопел. Если турбинка содержит пять основных лопаток, тогда целесообразно установить семь дополнительных сопел (желательно выбрать нечетное и некратное друг другу число). Тогда при одном полном повороте турбинки последовательно повторится 5·7=35 чередующихся (перекрестных) состояний и каждое состояние охватит угол в 360:35=10,18'. В период наступления каждого состояния только одно дополнительное сопло 5 окажется открытым окном с лопаткой 6 турбинки, а все остальные дополнительные сопла будут перекрытыми цилиндрической частью 32 каркаса. Тем самым в режиме малых расходов газа интенсивность струи открытого сопла существенно увеличивается. Естественно, необходимо предусмотреть должное перекрытие упомянутых 35 состояний за счет выбора ширины окон и "протяженности" щелей дополнительных сопел, что позволяет исключить "мертвое" состояние турбинки.
На конических частях 7 каркаса установлены осевые подшипники скольжения 11 и 15, позволяющие перемещаться турбинке вдоль оси вращения. Для обеспечения линейности характеристики и снижения нагрузки на подшипники скольжения 11 и 15 на конических частях 7 установлен подвижный магнит 9, изготовленный из высококоэрцитивных материалов (например, самарий, феррит бария, кобальт и другие). Этот магнит 9 взаимодействует с неподвижным магнитом 12, установленным на донышке основания и донышке кожуха 10 узла турбинки и намагниченными встречно, компенсируя аэродинамическую подъемную силу при больших расходах. Траектория движения потока газа на фиг.1 показана пунктирными линиями.
В верхней части патрубка 16 основного сопла закреплены дополнительные сопла 5 встречно направлению установки основных лопаток 6, установленных относительно радиального и осевого направлений под изменяющимися углами в створе профилированных окон, выполненных в цилиндрической части 18 каркаса турбинки. В донышках 1 и 21 основания и кожуха 4 турбинки закреплены подшипники 3 и 12 оси вращения турбинки и магниты 11 и 15, взаимодействующие с магнитами 22 и 23, установленными на конических частях 7 каркаса. Дополнительные лопатки, выполненные идентично осевой части основных лопаток, установлены в промежутках между основными лопатками и закреплены периферийными кромками в наружном крепежном кольце 20. В кожухе 10 установлен оптоэлектронный преобразователь, соединенный с электронным преобразователем для формирования сигналов по частоте вращения турбинки. Изобретение позволяет повысить эксплуатационную надежность и точность измерения.
На фиг.2 приведен турбинный счетчик расхода газа с корректором по давлению и температуре, который состоит из каркаса 35 с входным и выходным каналами, содержащими защитные сетки-фильтры и дефлекторы (на фиг.2 не показаны), узла радиально-осевой турбинки с вертикальной осью вращения, выполненной в виде вала 13 с цапфами, которые опираются на каменные упорно-опорные подшипники, кожуха 10 узла турбинки в виде стакана-демпфера с чередующимися пазами окнами, на котором закреплена оптоэлектронная пара - светодиод 29 и фотодиод 30, камеры для установки платы 25, цифрового индикатора 26 и оптического окна 27 для снятия показаний.
Турбинка состоит из верхней 8 и нижней 7 конических частей каркаса, включающего цилиндрическую часть 32 с профилированными по высоте окнами 21, в створе которых установлены лопатки 6, юбку каркаса турбинки 19 и наружное кольцо 22 крепления лопаток 6.
Патрубок 33 концентрически соединен с кожухом 10 и образует в нижней части кольцевую демпфирующую камеру 34. Демпфирование позволяет уменьшить осевые колебания турбинки и предохраняет ее от ударов при резком прекращении расхода газа.
На коническом срезе патрубка 33 выполнены в виде пазов 5 дополнительные щелевые сопла, скошенные в тангенциальном направлении вращения турбинки, позволяющие при малых расходах газа извлечь максимально возможную часть его кинетической энергии. В случае когда перекрыто основное кольцевое сопло, образованное верхней частью патрубка 33 совместно с нижней конической частью каркаса турбинки, газ направляется через щелевые сопла 5 и профилированные окна 21 на лопатки 6, лобовая часть которых находится в створе окон. Траектория движения газа показана стрелками.
Т
На фиг.2 показан узел оптоэлектронного преобразователя, состоящий из оптического модулятора 28, светодиода 29 и фотодиода 30. Схема работает следующим образом. При облучении поверхности фотоприемника генерируются импульсы напряжения с частотой, пропорциональной частоте вращения турбинки ω. Эти импульсы подаются на вход микроконтроллера (МК). К выходу МК подключен жидкокристаллический индикатор.
На фиг.3 представлены варианты размещения ОЭП, где на фиг.3,а изображен вариант установки диска с отверстиям 36 и оптического модулятора 37 на одной плоскости, а на фиг.3,б - вариант установки диска с отверстиями 36 между светодиодом и фотодиодом.
k0
На фиг.4 представлена схема установки манотензорезистивного корректора плотностной поправки. Блок корректора 42 выполнен в цельном цилиндрическом корпусе с негерметичной крышкой 24. Подвижный жесткий центр мембраны 38 опирается посредством кулачка на консольно закрепленную упругую балку 41 с кремниевыми (или проводниковыми) тензорезисторами на поверхности сапфировой деформационной части, включенными через электрические герметизированные выводы 43 в дифференциальную мостовую цепь. Трубка-штуцер 40 служит для герметизации и заполнения камеры корректора нейтральным газом до выбранного начального давления р. Полость 25 размещения электронных элементов имеет достаточно большой объем для надлежащей компоновки и монтажа блока корректора 42, блока электрического питания, операционного усилителя, микроконтроллера и цифрового индикатора 26 с негерметичным оптическим окном 27. Коническая негерметичная крышка 24 надежно закрывает полость и крепится посредством резьбы выходного штуцера расходомера и специального ключа. Соединительный кабель связывает расходомер с электросетью питания и повторителем показаний, а также через квартирный микроконтроллер, домовой контроллер и модем с системой контроля жилищно-коммунальной информации.
к
г
к
к
При питании мостовой схемы с тензорезисторами стабилизированным напряжением выходной сигнал в виде напряжения U(Δp, ΔT) зависит от деформации балки с тензорезисторами, вызванной разностью давлений р измеряемого газа и давления р газа в коррекционной камере, а также от изменения ΔT температуры камеры, влияющей на давление р, характеристику манометрической коробки и тензорезистивного преобразователя:
где β=1/273,16 К - температурный коэффициент давления.
г
Перепады давления, возникающие за счет изменения собственно давления р газа в расходомере, изменяются в пределах ±15 кПа, а перепады давления за счет изменения температуры корректора (газа) изменяются в пределах ±5,5 кПа. Поэтому возможные суммарные изменения перепадов давления на корректоре достигают больших величин, порядка ±20,5 кПа, которые с достаточно высокой точностью (2…3%) преобразуются манотензорезистором в аналоговый электрический сигнал ±2 В.
Требуемую точность коррекции (порядка 2…5%) можно обеспечить манотензорезистором, выполненным в виде плоской сапфировой мембраны с кремниевыми резисторами, включенными в дифференциально-мостовую цепь. При этом остаточную температурную погрешность, которая на порядок меньше плотностной, уменьшаем посредством терморезистора, размещенного в коррекционной камере, а остаточная плотностная погрешность измерения расхода газа по массе окажется в гарантийных пределах:
ρ
mp
m
η=ΔG/G=±16,8·(0,02…0,05)=±0,3…0,8%,
что представляется хорошим точностным результатом для квартирного оптоэлектронного расходомера-счетчика потребления газа по массе.
3
Работа расходомера-счетчика газа заключается в следующем. При поступлении малых расходов газа порядка 0,01 м/ч газодинамические силы на лопатках (6) формируют вращающий момент турбинки, что вызывает ее вращение. Частота ω вращения турбинки преобразуется ОЭП (37) в электрический сигнал, который выводится на цифровой индикатор (оптическое окно) (27).
При увеличении расхода газа открывается основное сопло и расходомер-счетчик газа начинает работать как ротаметр, турбинка выполняет функции поплавка. Преобразование частоты вращения в расход происходит так же с учетом высоты подъема турбинки и с поправкой на соответствующий диапазон по расходу.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает получение высокой точности измерения расхода благодаря введению в конструкцию устройства коррекции по температуре и давлению, уменьшение габаритно-массовых характеристик счетчика, сделать более технологичным изготовление элементов конструкции, в частности турбинного узла расходомера. Также реализуется возможность получения результата измерения в цифровом формате с одновременным обработкой его в микроконтроллере, и передача данных централизованно в жилищно-коммунальные службы по сбору информации о потреблении и оплате энергоресурсов. Для удобства снятия данных панель индикации вынесена отдельно от счетчика расхода и может быть помещена в любом удобном потребителю месте.