РАСХОДОМЕР ЖИДКИХ СРЕД В ТРУБОПРОВОДАХ
RATE-OF-FLOW INDICATOR OF LIQUID MEDIUMS IN PIPELINES

Изобретение относится к измерительной технике по расходомерам, а именно к способам и устройствам измерения объема расхода жидких сред в напорных трубопроводах круглого сечения.
Хорошо известен класс расходомеров ультразвукового типа, основанный на эффекте Доплера, а также класс на основе метода бокового сноса узкого звукового луча. При доплеровском методе звуковая волна, распространяясь по или против течения жидкости на заданном отрезке трубы, приобретает временной сдвиг, а также фазовый и частотный набеги, которые пропорциональны скорости потока. Из этих данных расчетно определяется объемный расход жидкости. В случае использования второго указанного ультразвукового метода, скорость потока находится по величине бокового сноса звукового луча за время поперечного прохождения через слой движущейся жидкости.
К наиболее важным достоинствам ультразвуковых расходомеров относится возможность использования их для любых жидкостей, в том числе химически агрессивных. Недостатком таких расходомеров является сложность измерительной системы, что связано, главным образом, с малостью отношения v/c, где v - скорость потока жидкости, с - скорость звука в ней.
Известен также класс электромагнитных (индукционных) расходомеров, работающих на основе использования эффекта магнитогидродинамической индукции электрических сигналов, которые возникают при движении проводящей жидкости в трубопроводе поперек направления магнитного поля. При этом сигнальные электроды располагаются на противоположных концах диаметра трубы. Величина сигнала ЭДС пропорциональна скорости жидкости и, следовательно, ее расходу. Расходомеры данного типа работают как на основе постоянного магнитного поля, так и переменного, в частности, импульсного поля. Важным положительным качеством расходомеров данного типа является возможность их работы в различных жидких средах, обладающих даже слабой электропроводностью. Однако этим устройствам присущи принципиальные недостатки, а именно возникновение в них электрохимических процессов на электродах, приводящих к поляризации электродов и, как следствие, искажению сигналов. Вместе с тем, при работе в переменных и импульсных магнитных полях индуцируются всевозможные электромагнитные наводки в электрических цепях измерительного устройства, составляющие трудно устранимые помехи при регистрации полезных сигналов.
Известен также тип вихревых расходомеров для напорных трубопроводов, принцип действия которых основывается на явлении вихревого следа, известного как дорожка Кармана. Когда жидкость обтекает тело, поток разделяется и образует периодические завихрения, которые следуют попеременно позади вдоль каждой стороны тела обтекания. Эти вихри являются причиной возникновения пульсации давления, которые образуют на крыле сенсора, установленного позади вихреобразователя, акустические сигналы. Последние улавливаются пьезоэлектрическим датчиком. Такие расходомеры отличаются универсальностью и высокой надежностью в работе. К этому типу расходомеров относится, в частности, расходомер «ЭМИС-ВИХРЬ» серии ЭВ-200, распространяемый в торговой сети, который является расходомером со съемом звукового сигнала пьезодатчиком. Данный расходомер принимается ниже за прототип. Недостатками данного прототипа расходомера являются:
- высокая чувствительность от вязкости среды, особенно жидкости, процесса генерации периодических вихрей на вихреобразователе, что приводит к систематическому «уводу» частоты пульсаций с изменением температуры. По этой причине возникает трудно устранимая погрешность измерения скорости среды и, следовательно, объема расхода;
- сильная зависимость частоты пульсаций давления от загрязнения поверхности вихреобразователя в случае присутствия в измеряемой среде различных адгезионных примесей. Этот фактор также значительно искажает результаты измерений;
- высокая чувствительность пьезодатчиков в зоне измерения к внешним вибрациям, не связанным с регулярной пульсацией среды. Для фильтрации подобных помех требуются сложные методы корреляционной обработки сигналов или оснащение измерительной аппаратуры дополнительными контрольными приборами.
Целью изобретения является устранение указанных недостатков прототипа путем изменения принципа измерения фактора динамического давления текущей среды на чувствительный элемент.
Целью изобретения является также упрощение конструкции измерительного узла расходомера и расширение спектра измеряемых текучих сред, в частности газовых и сыпучих сред.
Поставленная цель достигается тем, что в качестве измерительного элемента динамического напора текущей среды используется упругоизгибаемая лопасть в широком интервале углов, интегральный изгиб которой пропорционален общему расходу среды. В этом варианте отпадает необходимость в формирователе вихрей, а также в применении импульсных пьезодатчиков. При этом для измерения интегрального прогиба лопасти используются тензодатчики, например типа электрического сопротивления, скрепленные с поверхностью лопасти. Конструкция же лопасти выполняется с учетом получения оптимальной упругой ее гибкости в рамках задаваемого интегрального прогиба. Вместе с тем в конструкцию лопасти закладывается принцип схода с нее текущей среды с минимальной турбулентностью.
Эти два фактора приводят к тому, что интегральный прогиб лопасти «отслеживает» динамику текущей среды, т.е. ее скорость и общий объем расхода, а для измерения интегрально прогиба используются тензорезисторы, скрепленные конструктивно с поверхностью лопасти.
Схема расходомера представлена на чертеже.
Расходомер представляет собой лопасть 1 из упругогибкого материала длиной L. Геометрия лопасти выбирается в зависимости от типа протекаемой среды - жидкость, газ, а также динамики течения. На фронтальной и тыльной (по отношению к потоку) сторонах лопасти находятся тензорезисторы 2, измеряющие интегральную деформацию лопасти. При этом у фронтальных тензорезисторов в момент деформации лопасти электрическое сопротивление увеличивается, а у тыльных уменьшается. Тензорезисторы включены в мостовую электрическую схему, что обеспечивает высокую чувствительность и температурную стабилизацию параметров измерительной цепи. При наклейке двух тензорезисторов вдоль продольной оси лопасти измеряемое напряжение вдвое повышается, что поднимает чувствительность измерительной цепи. Температурное же изменение сопротивления одного тензорезистора компенсируется изменением сопротивления другого тензорезистора. Сигналы от тензорезисторов поступают в электронный блок приема и обработки сигналов 3. Таким образом, по изменению сопротивления тензорезисторов определяются средняя скорость потока среды V и ее расход.
Расходомер функционирует следующим образом.
При изменении скорости потока V меняется гидродинамическое воздействие потока на измерительную лопасть 1. При этом изменяется интегральная величина деформации лопасти, а также деформация тензорезисторов 2, прикрепленных к лопасти, и, следовательно, изменяется балансировка измерительного моста. Сигналы от тензорезисторов поступают в электронный блок 3, где по заданному алгоритму вычисляется объем расхода жидкости.
Для проверки работоспособности предлагаемого устройства измерения скорости и расхода текущей среды методом компьютерного моделирования был проведен эксперимент, в котором определялась деформация лопасти, помещенной в поток воды, протекающей по трубопроводу. Полученные в данном эксперименте величины упругих изгибов лопасти соответственно сопрягались с фольговыми электрическими тензодатчиками типа KFG-10-120. Численный эксперимент показал высокую чувствительность предлагаемого устройства к измерению расхода жидкой среды в пределах скорости потока 0,1-3 м/с, принятого в качестве примера.
Вместе с тем, в стендовых опытах была определена наиболее оптимальная геометрия лопасти применительно к заданному интервалу скорости потока. Выбран тип тензодатчика динамической деформации, совместимый с геометрией лопасти.
Данный вариант осуществления изобретения не исключает иных вариантов устройства расходомера в пределах формулы изобретения.
Таким образом, изобретение в техническом и функциональном отношении значительно упростилось относительно прототипа. Изобретение приобрело также большую надежность в работе, простоту эксплуатации и расширенный динамический диапазон точного измерения расхода протекающих сред.