Устройство для измерения расхода текучих сред

Устройство для измерения расхода текучих сред
Полезная модель относится к расходоизмерительной технике и может быть иснользована для измерения расхода текучих сред в трубопроводах.
Известно устройство для измерения скорости (расхода) потока жидкости 1, состоящее из обтекаемого тела, укрепленного на конце соединительного штока, который помещен в защитную трубку. Другой конец соединительного штока закреплен в корпусе измерителя. Устройство для измерения скорости (расхода) потока жидкости 1 измеряет скорость потока с помощью преобразования скорости движения жидкости в силу, измеряемую с помощью тензорезисторов, укрепленных на соединительном штоке.
Недостатком этого устройства для измерения скорости (расхода) жидкости потока является зависимость результатов измерения от температуры. Кроме того, устройство для измерения скорости (расхода) потока жидкости не может быть использовано для измерения массового расхода без существенной конструктивной доработки.
Известен также ряд других устройств, реализующих измерение скорости (расхода) потока жидкости (газа) с набеганием текучей среды на чувствительный упругий элемент, по перемещению которого судят о скорости (расходе) потока 2-4. Главным недостатком этих устройств является их ограниченная функциональная возможность, а именно невозможность измерения массового расхода.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) к заявляемому устройству является устройство 5 для измерения расхода жидкостей и газов, содержащее измерительный участок трубопровода,
пм
чувствительный элемент в виде эластичной упругой ферромагнитной пластины, стянутой пружинами в продольном направлении и индукционный датчик. Устройство измеряет пропорциональную расходу частоту деформации упругой пластины от набегающего потока жидкости (газа).
Недостатком известного технического решения устройства измерения расхода жидкости (газа) в трубопроводе так же является его ограниченная функциональная возможность, иначе - невозможность измерения массового расхода. Кроме того, в значительной степени на точность измерения расхода влияет температура текучей среды.
Таким образом, цель заявляемого объекта (иначе - требуемый технический результат) заключается в обеспечении известному техническому решению более высоких потребительских свойств путем расширения функциональных возможностей, а именно - обеспечение измерения массового расхода текучей среды в трубопроводе.
Требуемый технический результат в заявляемом устройстве достигается тем, что согласно устройству-прототипу, содержаш;ему измерительный участок трубопровода с двумя поперечными сечениями, второе из которых несколько меньше первого, датчики статических давлений текучей среды на стенку измерительного участка трубопровода в обоих его сечениях, а также упругий элемент с конструктивно заданной площадью лобового сопротивления потоку, консольно закрепленный в стенке внутри канала измерительного участка, причем этот элемент снабжен силоизмерительным датчиком, а также вычислитель, соединенный с датчиками, канал измерительного участка, по его длине, состоит из двух частей со штатным, конструктивно заданным, соотношением сечений, части канала измерительного участка - с каждым из этих двух сечений выполнены одинаковой длины и калиброваны по диаметру, оно (заявляемое устройство) снабжено вторым, дополнительным и идентичным первому, упругим элементом, установленным во втором, меньшем, сечении измерительного участка трубопровода, при этом второй упругий элемент так
же снабжен силоизмерительным датчиком, а оба упругих элемента установлены в измерительном участке трубопровода в одной горизонтальной плоскости диаметрально противоположно друг другу.
Дополнительными отличиями устройства для измерения расхода текучих сред является то, что штатное уменьшение второго сечения измерительного участка составляет 0,7 -т- 0,9 относительно первого; что длина каждой части канала измерительного участка составляет три диаметра сечения меньшего размера, а длина перехода от одного калиброванного сечения к другому равна одному из диаметров канала; что два упругих элемента, два датчика статических давлений и два силоизмерительных датчика в обоих калиброванных сечениях установлены в соответствующих частях канала измерительного участка трубопровода на расстоянии, равном двум третям от начала каждой части канала с конкретным размером сечения.
Наличие в совокупности существенных признаков, характеризующих заявляемое устройство для измерения расхода текучих сред вышеуказанных отличительных признаков и необнаружение в общедоступных источниках патентной и технической информации эквивалентных технических рещений с теми же свойствами, а также промыщленная применимость предполагают соответствие заявляемого объекта критериям полезной модели.
На чертеже приведена принципиальная схема устройства для измерения расхода текучих сред в трубопроводе.
Устройство состоит из (см. фиг.) измерительного участка 1 трубопровода с двумя калиброванными внутренними сечениями диаметрами DI и DI соответственно. Второе сечение штатно уменьщено относительно первого. В частях канала с двумя штатно (конструктивно) разновеликими сечениями измерительного участка расположены датчики 2 и 3 статических давлений (Pi и PI); выходы датчиков соединены с вычислителем (контроллером) 4.
кроме того, в обоих сечениях канала консольно размещены конструктивно идентичные упругие элементы в виде пластин 5 и 6 с расположенными на них датчиками 7 и 8 усилий FI и Fi, воспринимающими изгибные механические напряжения пластин и так же соединенными - каждый - с входом вьшислителя 4 (контроллера).
Следует отметить, что (как выяснилось экспериментально) оптимальными соотношениями основных конструктивных параметров заявляемого устройства, выполненного в виде вставки в трубопровод (как это изображено на фиг.) являются: длины LI и L обоих частей измерительного участка 1 должны составлять не более трех диаметров D2 части канала с меньшим сечением; меньшее, второе по ходу потока, сечение (S2) должно находиться в пределах 0,7-ьО,9 8ь идентичные упругие элементы 5 и 6 не должны в поперечном сечении потока проецироваться друг на друга и желательно их расположение в горизонтальной плоскости диаметрально друг другу (для исключения погрешностей из-за неоднородности текучей среды по высоте потока); все измерительные элементы устройства, - в каждом из сечений Si и 82 - предпочтительно располагать на расстоянии двух третей длин LI (или L2) от начала каждой части канала измерительного участка с конкретным размером сечения; длина перехода Ln от одного сечения к другому предпочтительно должна быть в пределах величины одного из диаметров (Di или D2), а переход быть выполнен геометрически сглаженным (см. фиг.), то есть с максимально плавной криволинейной образующей.
Устройство работает следующим образом.
Движущийся в измерительном трубопроводе 1 поток текучей среды (жидкость, газ), набегая на упругие элементы 5 и 6, создает в них механические напряжения. Эти напряжения с помощью датчиков 7 и 8 усилий преобразуются в электрические сигналы, которые подаются на вход вычислителя (контроллера) 4.
Силы (FI и РЗ), сопротивления упругих элементов 5 и 6 потоку текучей среды определяются выражениями:
р, -5з;(1)
.,(2)
где р - плотность рабочей среды; Vi, 2 - линейные скорости рабочей среды соответственно в сечениях Sj и 82 измерительного участка трубопровода; 8з и 84 - площади поверхности упругих элементов, воспринимающих напор потока. Для дальнейшего упрощения рассуждений принято, что 8з  84  8.
Алгоритм вычисления расхода сводится к следующим операциям.
По известным статическим давлениям PI и Р2 в исходной части канала измерительного участка трубопровода и в штатно суженной части (соответственно в сечениях 8i и 82) определяется статический перепад давления АР:
AP-:Pi-P2.(3)
Используя известный математический аппарат, выразим линейную скорость потока через АР:
ДР  Р,Р, /1  |(,),(4)
В то же время Следовательно
ШьйШ
V. -V,-(5)
АР- .К 1-1
Тогда
V
--f
Из работы 6 известно, что: , где
- АР и ДР2 - динамическое давление (давление напора) на упругих элементах 5 и 6; эти динамические давления (давления напора) определяются из формул (1) и (2):
-X, - коэффициент, учитывающий неравномерность энергетического вклада от скоростей потока по сечению трубопровода, находящийся в диапазоне 1,,15.
-Ктр - коэффициент трения внутренней поверхности измерительного участка трубопровода (размерность - ).
По известным АР и р определяется линейная скорость движения потока (формулы 7 и 8) и соответственно объемный и массовый расходы (Qv и Q):
,S,V,S,,
имо
2АР
(7)
(8)
др)
(9)
ТР
;
(10) 2 S,
. (И)
2 5,
либо специализированных преобразователей расхода, используя для этого лишь измерительный участок трубопровода с каналом из двух частей штатно разновеликими сечениями, два датчика статического давления, два консольно размещенных в канале идентичных упругих чувствительных элемента с размещенными на них датчиками усилий, воспринимающих их изгибные напряжения в материале упругих элементов и соединенных с входом вычислителя (контроллера), но следует отметить, что заявляемое устройство, достаточно простое в реализации, эксплуатации и обслуживании, особенно эффективно для гомогенных или мелкодисперсных (то есть практически однородных) текучих сред, но для целей коммерческого учета продукции требует дополнительной доработки и/или конструктивного усложнения.
Совокупность существенных признаков (в том числе и отличительных) заявляемого устройства для измерения расхода текучих сред обеспечивает достижение требуемого технического результата, соответствует критериям полезной модели и подлежит защите охранным документом (патентом) РФ в соответствии с просьбой заявителя.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ, ИСПО ЬЗОВАННЫЕ ПРИ СОСТАВ.1ШНИИ ОПИСАНИЯ ПРЕДПОЛАГАЕМОГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
1.Авторское свидетельство .№ 284464, кл. G01P5/02, 1970
2.Патент США № 3698245, кл. G01F1/00, 1972
3.Авторское свидетельство № 754310, кл. G01P3/36, G01P5/02, 1980
4.Авторское свидетельство № 1037180, кл. G01P5/00, 1982
5.Авторское свидетельство № 901823, кл. G01F1/00, 1982, прототип
6.Журнал «Измерительная техника, 1993, №6, с. 35 и 36.