Тахометрический расходомер газа

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована в системах измерения газообразных сред.
Известно устройство измерения расхода среды, при котором среду подают из магистрали через насос, расходомер и рабочую нагрузку (Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Справочник. // Л.: Машиностроение. 1989, 702 с). Недостатком известного устройства является расположение измерительного устройства в последовательном ряду устройств потребления расхода, что значительно увеличивает погрешность измерения расхода.
Известен парциальный расходомер в системе измерения энергоносителя и тепла (Шорников Е.А. Расходомеры энергоносителей и повышения точности измерений разности расходов, температур и потребляемой теплоты. - СПб.: НПО ЦКТИ. 1966. - 120 с, 1995. - 80 с). Недостатком устройства является узкий диапазон измерения, неадекватное соответствие течений основного потока и байпаса и специальное устройство сужения для обеспечения перепада давления на устройстве байпаса.
Известен парциальный расходомер газа (SU, 373537), выполненный в виде сложного мембранного механизма с большими габаритами и небольшим диапазоном измерения.
Известен тахометрический расходомер газа, турбинный газовый счетчик МАРС-М (Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества вещества. Спр. Кн. первая. Политехника. С-П. 2002. с. 346), принятый за прототип. Недостатками известного устройства являются небольшой диапазон измерения (1:10), ограниченный ресурс из-за износа опор и искажения результатов измерения.
Техническим результатом является расширение диапазона измерения расхода путем разделения диапазона на две части с понижением уровня измерения в первой части диапазона, не снижая верхнего значения второй части диапазона, снижения погрешности измерения с помощью однотипных устройств нагрузки в основном канале и канале байпаса.
Технический результат достигается тем, что предложен тахометрический расходомер газа, содержащий основной канал, крыльчатку и измерительную автоматику, в котором внутри основного канала расположен канал байпаса с нагрузкой, однотипной нагрузке основного канала, крыльчатка расположена внутри канала байпаса для смены режимов работы - сканирования расхода по выбегу крыльчатки на режим измерения расхода по ее оборотам.
На фиг. 1 представлено сечение корпуса тахометрического расходомера газа.
На фиг. 2 показаны статические характеристики Q=ϕ(n) в первом диапазоне (сканирования малого расхода) и во втором диапазоне (большого расхода).
i
На фиг. 3 показаны кривые Q=ϕ(N) при расширении диапазона.
На фиг. 1 показан расходомер в двух проекциях, на первой представлено продольное сечение, на второй представлено поперечное сечение по входу в нагрузку основного потока. Обозначено: 1 - корпус расходомера, 2 - диффузор крыльчатки, 3 - основной канал потока газа, 4 - крыльчатка, 5 - нагрузочный элемент основного канала, 6 - нагрузочный элемент канала байпаса, 7 - область разрежения на входе в диффузор крыльчатки (показана в сечении половина, другая половина закрыта корпусом 1), 8 - канал байпаса, 9 - клеммы питания и снятия сигнала крыльчатки.
Площадь входного сечения диффузора 2 определяет поток 8 в байпасе 6, и суммарная площадь проходных сечений 3 основного потока в нагрузке 5 находится в отношении 3:1 к байпасу так, что суммарная площадь сечения при измерении расхода в режиме Q=f(n) составляет 4 единицы.
На фиг. 2 на примере технических характеристик крыльчатки UB5U3-700 фирмы Sunon приведены статические характеристики Q=ϕ(n). Обозначено: 1 - условная статическая характеристика, промежуточные значения расхода получены по данным числа оборотов выбега крыльчатки, 2 - статическая характеристика Q=ϕ(n) с крыльчаткой в байпасе при набегающем скоростном напоре потока в сети.
1
5
0
1
5
0
На фиг. 3 показаны кривые N…N при измерении расхода Q=20-160 л/ч величин, менее заданного начального Q, которые фиксируют число единиц оборотов крыльчатки в виде частотного сигнала при свободном выбеге крыльчатки. Различному расходу в сети при перепаде давления на расходомере соответствует различное время и число оборотов крыльчатки в режиме сканирования расхода в сети. Кривые N…N - это условно средние линии выбега крыльчатки при постоянном давлении сети. Примерные колебания числа оборотов выбега показаны пунктирными линиями. Величину Q можно принять другую, большую (меньшую) по величине, тогда область сканирования расширится (уменьшится) при переходе в основной режим измерения расхода газа.
Предложено устройство измерения расхода с использованием парциального принципа, в котором измеряется расход в байпасе с малым протоком, и далее судят о расходе в канале с большим сечением и большим расходом при почти подобных моделях течения. Установившийся режим течения в двух ветвях характеризуется критерием подобия - числом Re - Рейнольдса, при равенстве которых можно вычислить с относительно малой погрешностью общий объемный расход пропорционально отношению размеров сечений, измеряя расход через сечение в байпасе.
В упомянутых известных парциальных расходомерах используется первый способ ответвления (Кремлевский П.П. расходомеры и счетчики количества вещества. Спр. Кн. первая. Политехника. С-П. 2002. с. 99), при котором в основном трубопроводе устанавливают сужающее устройство для создания перепада давления на обводном канале (байпасе).
0
Эта величина перепада давления соответствует минимальному значению расхода в измеряемом диапазоне расхода. В предложенной полезной модели используется небольшое сужение (1:3), установленное внутри основного потока в основном канале и достаточное для получения величины перепада давления в канале байпаса, начиная с некоторой рабочей величины расхода Q при измерении в рабочем диапазоне, чтобы поток в устройстве имел минимальные гидравлические потери по тракту. Сужение выполнено в виде входного диффузора 2 крыльчатки 4 и нагрузочного элемента 6 в канале байпаса 8. Нагрузочный элемент 5 основного канала 3 конструктивно аналогичен нагрузочному элементу 6 канала байпаса 8.
Процедура измерения расхода разбита на два диапазона - диапазон измерения малых расходов и основной диапазон. Если в данный момент имеется перепад давления и расход в сети, который недостаточен для измерения по оборотам крыльчатки от скоростного напора потока сети, то включается дополнительный источник расхода в канале байпаса. Искусственный перепад давления и расхода создается принудительно в виде надбавки к перепаду давления электроприводом крыльчатки. Это повышает чувствительность и расширяет диапазон тахометрического расходомера. В этом диапазоне сканируется расход в сети путем изменения числа единиц оборотов крыльчатки при ее выбеге.
0
В основном диапазоне измерения расход газа пропорционален числу оборотов крыльчатки (частоте вращения), при этом определяется расход в основном и байпасном каналах. При небольших отличиях в размерах основного и байпасного каналов (3:1) и подобной нагрузке создается возможность получения достоверности подобных течений для уменьшения погрешности измерения расхода в основном диапазоне. В основном диапазоне при достаточном перепаде давления и расходе Q на входе всего устройства крыльчатка вращается самостоятельно, фиксируя частотой своих оборотов измерение всего расхода, т.е. расхода через байпасный и основной канал, который формируется в счетчике пересчетом и сложением для получения общей суммы величины расхода. При этом крыльчатка, установленная в байпасе, вращается при действии динамического напора набегающего газа.
Измерение объемного расхода газа в сети происходит следующим образом.
1
1
2
3
4
2
При подаче давления в сети включается в работу тахометрический расходомер. Первоначально расходомер работает в режиме сканирования расхода и давления сети. Включается через клеммы 9 (фиг. 1) привод крыльчатки в режиме перекачки до назначенной скорости (частоте вращения), например n=335 об/мин (f~6 Гц) фиг. 2, потом выключается и измеряется количество оборотов при свободном ее выбеге N (фиг. 3). Конструктивное расположение внутреннего обвода корпуса 1 и диффузора 2 и соотношение их диаметров (1,2…1,5) позволяет получить при включении крыльчатки в режиме перекачки появление области разрежения 7 (фиг. 1) на входе в диффузор 2. Область 7 поглощает почти весь расход газа из сети и пропускает его через крыльчатку 4 и нагрузку 6 в виде сопла Вентури на выход. Область разрежения 7 на входе в диффузор крыльчатки показана линией и границей нулевых скоростей при отсутствии перепада на расходомере и включенной в работу крыльчатки 4. В этом случае образуется вакуумный аэродинамический «затвор», препятствующий течению газа с входа на выход расходомера по основному каналу. Величина области разрежения 7 образована не в открытом пространстве, а в пространстве, ограниченном стенками корпуса 1 расходомера и диффузора 2 крыльчатки, позволяющем значительно увеличить величину области 7 разрежения и мощность перекачки примерно на порядок по сравнению с образованием области 7 разрежения в открытом пространстве. Кроме того, при наличии перепада давления измерительного потока возникает свойство активированного отсоса, также увеличивающий способность перекачки крыльчатки 8 (В.Л. Писаренко, М.Л. Рогинский. Вентиляция рабочих мест в сварочном производстве. М.: Машиностроение. 1981. С. 51-52). Диапазон малого расхода 0-160 л/ч условно разделен на 4-5 значений, которым соответствуют данные расхода, например, N=20, N=40, N=80, N=120 л/ч и число оборотов крыльчатки при свободном выбеге в условиях давления в сети = const. Если далее давление в сети не изменяется и, например, имеем число N, то, следовательно, имеем установившийся процесс измерения и потребляемый расход газа, измеренный расходомером равен ~40 л/ч с погрешностью 10-15%, обусловленной трением подшипников, неточным заданием первоначальной скорости сканирования от измерительной автоматики. Погрешность коридора выбега крыльчатки значительно снижается, если величина трения и износ опор вращения практически минимальна для крыльчатки, например, Sunon с подшипниками Vapo с ресурсом работы 50 тыс. часов.
i
i
При увеличении перепада давления на расходомере и давления в сети получим заданное N=Q, при котором отключается крыльчатка из режима сканирования, исчезает область 7 разрежения и включается режим измерения расхода газа по частоте f (Гц), задающей скорость вращения крыльчатки. При соотношении сечений канала нагрузки байпаса (принятого за единицу) и сечений канала основного потока (принятого за три единицы) в виде отверстий 3 с нагрузкой 5 общий расход, измеряемый тахометрическим расходомером на примере крыльчатки Sunon составляет 4280 л/ч и диапазон измерения - более 100.
При работе крыльчатки в режиме сканирования давления в сети имеем расширение диапазона, не снижая верхнего значения диапазона. При работе крыльчатки в режиме измерения расхода по оборотам (частоте) имеем снижение погрешности измерения с помощью однотипных устройств нагрузки в основном и канале байпаса, имеющих близкие коэффициенты расхода.