ПАРЦИАЛЬНЫЙ РАСХОДОМЕР
PARTIAL FLOWMETER

Область техники
Изобретение относится к области машиностроения, в частности, к области измерения вязких жидкостей и газов и может быть использован для получения изделий типа расходомеров.
Уровень техники
Известен преобразователь расхода (а.с. СССР №491832 МПК G01f1\10), cостоящий из корпуса, направляющего и выпрямляющего поток аппаратов, измерительной турбинки, основного и байпасного канала и преобразователя оборотов турбинки, в котором основной канал образован внутренней поверхностью корпуса преобразователя и наружной поверхностью ступицы направляющего аппарата, входной диаметр которой равен диаметру ступицы измерительной турбинки, а байпасный канал образован внутренними поверхностями ступиц направляющего аппарата и измерительной турбинки и наружной поверхностью обтекателя, выполненного в виде тела вращения, и расположен концентрично основному каналу внутри ступицы направляющего аппарата, при этом входная часть байпасного канала расположена в дисковой части ступицы измерительной турбинки, во входной части этого канала установлена дополнительная турбинка жестко связанная с валом измерительной турбинки, а диаметр ступицы выпрямляющего аппарата выполнен не более максимального диаметра внутренней поверхности байпасного канала.
Конструкция данного прибора позволяет несколько повысить точность измерения и чувствительность к измеряемой среде, так как обе турбинки вращаются в одном направлении в связи с тем, что дополнительная турбинка, установленная на опорах вращается заодно с валом, на котором вращается измерительная турбинка.
Недостатком этого прибора является сложность и низкая надежность работы турбинок, так как они находятся в неуравновешенном состоянии в широком диапазоне расходов.
Известен также турбинный расходомер (а.с. СССР №422961), содержащий корпус, турбинку, устройство для изменения проходного сечения, узел съема сигнала, в котором устройство для изменения проходного сечения выполнено в виде цилиндра, установленного в корпусе перед турбинкой, образуя два канала: кольцевой внешний и внутренний. Во внутреннем канале смонтирована поворотная заслонка, которая поворачивается пневмомашинкой, перекрывая течение потока внутри цилиндра при малых расходах и направляя весь поток во внешний канал на турбинку. При измерении потока в диапазоне номинальных значений заслонка устанавливается в открытое положение. Жидкость при этом идет на турбинку через полное сечение расходомера.
Достоинством данного расходомера является возможность получения более линейной характеристики и повышения чувствительности турбинки.
К недостаткам можно отнести сложность конструкции и необходимость в подключении дополнительного устройства для управления заслонкой.
Известен так же счетчик Вольтмана (патент DE 44 45 976 C 2 кл. G01 F 1\10 содержащий корпус с проточным каналом, в котором установлен турбинный преобразователь расхода неосесимметрично с проходным каналом корпуса.
Такое техническое решение позволяет расширить диапазон измеряемых расходов в области больших расходов и уменьшить гидравлические потери. При этом его недостатком является низкая чувствительность на малых расходах.
Известен турбинный расходомер (а.с.СССР № 414487 МПК G 01f 1\12) состоящий из корпуса, измерительной турбинки, охватывающей ее компенсационной втулки и узла съема сигнала, в котором компенсационная втулка снабжена сквозными каналами, размещенными по периметру втулки и образующие переток части измеряемой среды.
К недостаткам можно отнести сложность конструкции, пониженную чувствительность на малых расходах, а также повышенное гидравлическое сопротивление по сравнению с устройствами того же типоразмера.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является турбинный расходомер (патент RU № 2239161 мпк G 01 f 1/10), состоящий из корпуса с входным и выходным патрубками и рабочей камерой, выполненной в виде последовательно соединенных диффузора, цилиндрической части и конфузора. В рабочей камере свободно размещен шаровой ротор, намагниченный в диаметральной плоскости вращения, который снабжен установленной на оси лопастной турбинкой. Лопастная турбинка размещена в выходном патрубке. Перед входным патрубком дополнительно размещен входной конфузор, а корпус установлен в цилиндрической втулке с образованием периферийного канала, минимальное проходное сечение которого в 0,5-2,5 раза больше площади входного сечения упомянутого входного конфузора. При этом конфузор выполнен по следующим соотношениям геометрических параметров: диаметр входного сечения входного конфузора равен (2,0-2,5) диаметров входного патрубка.
К недостаткам можно отнести пониженную чувствительность в диапазоне малых расходов.
Краткая сущность изобретения
Техническим результатом, достигаемым при использования заявляемого изобретения, является расширение диапазона измерений за счет повышения чувствительности заявляемого устройства на малых расходах, а также уменьшение потерь напора за счет малых диаметров обечайки; повышение технологичности и экономичности изготовления парциального расходомера за счет использования одного и того же унифицированного преобразователя расхода в широком диапазоне типоразмеров расходомеров.
Поставленная задача решается тем, что парциальный расходомер, согласно техническому решению, включает корпус с внутренним проточным каналом, в котором соосно каналу установлен распределитель потока, выполненный в виде обечайки, внутри которой установлен преобразователь расхода и узел съема сигнала, при этом, по меньшей мере, одна внешняя кромка обечайки выполнена с фаской, на внешней стороне обечайки радиально закреплены продольные ребра. При этом, по меньшей мере, к одной торцевой поверхности продольных ребер осесимметрично проточному каналу закреплено, по меньшей мере, одно распределительное кольцо. Фаска внешней кромки обечайки может быть выполнена в виде скругления или конической, а ребра распределителя потока могут иметь различную длину или различную высоту на торцах.
Краткое описание чертежей
Заявляемое техническое решение поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 схематично представлено продольное сечение заявляемого расходомера.
На фиг. 2 вид слева расходомера, представленного на фиг. 1.
На фиг.3а - 3в схематично представлено влияние конструкционных особенностей заявляемого расходомера на поток.
На фиг.4 представлены графики, демонстрирующие изменение погрешности расходомера в зависимости от расхода жидкости в диапазоне расходов.
На фиг.5 схематично представлено возможное расположение ребер распределителя потока.
На фиг.6 представлена метрологическая характеристика парциальных расходомеров на Ду=80 мм в соответствии с заявляемым изобретением.
На фиг.7 представлена метрологическая характеристика парциальных расходомеров на Ду=200 мм в соответствии с заявляемым изобретением.
Позициями на чертежах обозначены:
1 – корпус расходомера,
2 – обечайка,
3 – продольные ребра,
4 – распределительное кольцо,
5 – преобразователь расхода,
6 – узел съема сигнала.
А- проточный канал преобразователя расхода,
Б – канал байпасного потока.
В – измерительный канал преобразователя расхода.
Осуществление изобретения
Заявляемый парциальный расходомер представляет собой устройство, предназначенное для измерения расхода и количества жидкостей и газов.
Результат измерения парциального расходомера зависит от свойства профиля набегающего потока и соотношения распределения этого потока между байпасным и измерительным каналами, как при изменении расхода от максимального до минимального, так и от минимального до максимального. При постоянном расходе это соотношение будет постоянным. При изменении расхода эпюра скоростей будет меняться, что приводит к изменению соотношения расходов через байпасный и измерительный каналы и, как следствие, к увеличению погрешности измерения. Для сохранения погрешности измерения необходимо осуществить перераспределение потока так, чтобы соотношение расходов через байпасный и измерительный каналы изменялось в наименьшей степени. Этого удалось добиться путем подбора конфигурации и размеров распределителя потока, состоящего из обечайки, ребер, распределительных колец. Наличие фасок или скруглений на торцах обечайки в большей степени увеличивает расход через байпасный канал при максимальных и средних расходах. Это сохраняет постоянство соотношений расходов через байпасный и измерительный каналы и обеспечивает постоянство погрешности измерения в пределах максимальных и средних расходов. Наличие ребер и распределительных колец в большей степени увеличивает гидравлическое сопротивление байпасного канала по сравнению с измерительным каналом при средних и минимальных расходах, так как с уменьшением скорости потока  увеличивается пограничный слой на поверхностях ребер. Это приводит к увеличению доли расхода через преобразователь расхода при малых расходах и, как следствие, к повышению чувствительности расходомера.
Заявляемое устройство представляет собой корпус 1 со сквозным каналом, внутри которого размещен распределитель потока с преобразователем расхода и узлом съема сигнала 6, обеспечивающим передачу сигнала на измерительное устройство. Распределитель потока обеспечивает перераспределение набегающего потока на преобразователь расхода. Распределитель потока выполнен в виде преимущественно цилиндрической обечайки 2 с продольными ребрами 3. Обечайка расположена, как правило, соосно проточному каналу, и ограничивает часть канала, в которой размещен преобразователь расхода, и, соответственно, протекает преобразуемый поток. Часть потока вне обечайки протекает по байпасному каналу Б. Соотношение диаметра проточного канала к диаметру обечайки находится в пределах 1,1-3,5. При этом большему диаметру проточного канала соответствует большее значение указанного соотношения. Обечайка выполнена с фасками на внешней и/или внутренней кромках (с одного или обоих торцов цилиндра обечайки). При этом фаска может быть выполнена как в виде скругления радиусом не менее 1/2 толщины стенки обечайки, так и конической с углом конуса от 5 до 45 градусов. При этом фаски на разных торцах обечайки могут иметь различную форму и/или угол конусности. Также одним из важных конструктивных признаков заявляемого устройства является наличие продольных ребер, расположенных и закрепленных на обечайке. Количество и форма ребер также влияют на перераспределение потока.  При этом ребра могут быть выполнены различной длины, иметь различную высоту на торцах. Ребра располагаются так, что их плоскости параллельны плоскости проходящей через ось обечайки и могут быть как параллельными друг другу, так и составлять некоторый радиальный угол. Кроме того, распределитель потока включает также распределительные кольца, установленные перпендикулярно направлению потока и закрепленные в ребрах со стороны их торцов. Кольца могут иметь различный диаметр и толщину.
Форма и размеры фасок, углов конусности и радиусы скруглений торцов обечайки, а также размеры, геометрические формы и расположение ребер и распределительных колец определяются эмпирическим путем в зависимости от диаметра проточного канала, так как во всех типоразмерах расходомеров используется один унифицированный преобразователь расхода. Высота ребер в сечении обечайки определяется как 1/2 разности между диаметром проточного канала и внешним диаметром обечайки, а высота ребер в сечении на торцах обечайки определяется как 1/2 разности между диаметром проточного канала и диаметром измерительного канала.
Крепление распределителя потока с корпусом может осуществляться как с помощью ребер, которые в данном случае будут выполнять двойную функцию – крепления и перераспределения потока, так и другими известными способами, например, винтами, втулками, штифтами и т.п.
На фигурах 3а-3в показано влияние конструктивных признаков заявляемого расходомера на распределение потока, протекающего по основному проточному каналу А, на потоки байпасного Б и измерительного В каналов.
При малых расходах (малых числах Рейнольдса) эпюра скоростей по сечению потока имеет более вытянутую характеристику (скорость потока в ее центральной части больше чем на периферии, фигура 3 а), по сравнению с эпюрой скоростей при больших расходах, где эпюра скоростей имеет более равномерную эпюру скоростей по сечению потока (фигура 3б). Наличие конической фаски на входном торце обечайки позволяет более равномерно распределить основной поток канала А на потоки каналов Б и В во всем диапазоне изменения расхода (фигура 3 а,б,в). Наличие конической фаски на выходном торце обечайки позволяет обеспечить плавность перемешивания байпасного потока с измеряемым потоком, а значит уменьшить потери напора байпасного расходомера.
Наличие ребер 3 между обечайкой 4 и внутренней частью корпуса 2 и распределительных колец 5, с уменьшением расхода увеличивает гидравлическое сопротивление потока через байпасный канал Б, что дополнительно увеличивает расход потока через измерительный канал В. Так как этот поток проходит через преобразователь расхода 6, он обеспечивает более высокую чувствительность прибора на малых расходах (фигура 3а). При увеличении расхода эпюра скоростей по сечению основного проточного канала А становится все более равномерной (фигура 3 б, в). Относительная величина расхода через преобразователь расхода уменьшается. При этом пропорциональность расходов через байпасный канал и измерительный канал преобразователя расхода сохраняется. Распределительные кольца влияют на пропорциональность расходов через байпасный и измерительный каналы во всем диапазоне измеряемых расходов. Это позволяет получить более равномерную метрологическую характеристику.
На следующих фигурах представлены варианты выполнения ребер распределителя потока.
На фигуре 3а в верхней части распределителя потока высота ребер с правой стороны больше чем высота ребер с левой стороны, а в нижней части распределителя потока длина ребер с правой стороны больше чем длина ребер с левой стороны.
На фигуре 3б в верхней части распределителя потока длина ребер вдоль корпуса больше чем длина ребер вдоль обечайки, а в нижней части распределителя потока длина ребер меньше длины обечайки.
На фигуре 3в длина ребер распределителя потока вдоль обечайки больше длины ребер вдоль корпуса.
На фигуре 4 показано влияние на метрологическую характеристику парциального расходомера конических скосов на торце обечайки с внешней и внутренней стороны обечайки. Показана относительная погрешность расходомера в диапазоне расходов в зависимости от углов скоса на обечайке: а) углы скоса отсутствуют; б) угол скоса на внутренней части входного торца обечайки; в) углы скоса на внешней части входного и выходного торцов обечайки.
Парциальный расходомер работает следующим образом.
Измеряемую среду, в качестве которой может быть использована любая жидкость, направляют через проточный канал А расходомера. При движении потока измеряемой среды через проточный канал А, поток делится распределителем потока на поток байпасного канала Б, проходящий между обечайкой 4 и внутренней частью корпуса 1, и преобразуемый поток измерительного канала В, проходящий через преобразователь расхода 6. В результате воздействия потока приводится преобразователь расхода в действие. Узел съема сигнала 7 преобразует значение измеренных преобразователем расхода параметров в пропорциональный расходу сигнал. Например, при использовании турбинки – преобразуемым параметром является число ее оборотов.
Примеры конкретного выполнения
Вышеизложенные принципы были положены в основу разработки парциальных расходомеров с диаметрами условного прохода от 50 до 200мм (Ду50-Ду200) и более.
1. Изготовлены парциальные расходомеры диаметром условного прохода 80 мм (Ду-80) класса С для измерения расхода и количества питьевой воды. Отношение диаметра проточного канала к диаметру обечайки находится в пределах 1,1-1,3 в зависимости от внешнего диаметра обечайки. В одном случае длина ребер распределителя потока меньше длины обечайки (на фиг.6 кривая б соответствует длине ребер равной 0.8 длины обечайки). В другом случае длина ребер распределителя потока больше длины обечайки (на фиг.6 кривая а соответствует длине ребер равной 1.2 длины обечайки). На внешней стороне обечайки в обоих случаях с обоих ее торцов выполнены фаски радиусом 2мм. Для измерения расхода использован унифицированный турбинный преобразователь расхода с измерительным каналом диаметром 68 мм. На фиг.6 показана метрологическая характеристика этого прибора в двух вариантах исполнения (кривая а и кривая б).
2. Изготовлены парциальные расходомеры диаметром условного прохода 200 мм (Ду-200) класса С для измерения расхода и количества питьевой воды. На внешней стороне обечайки с обоих ее торцов выполнены конические фаски. Угол фаски со стороны входа потока составляет 15 градусов, а со стороны выхода потока 10 градусов. Отношение диаметра проточного канала к диаметру обечайки находится в пределах (2,8-1,4) в зависимости от внешнего диаметра обечайки. На кривой а показана метрологическая характеристика изготовленного расходомера на Ду 200, с диаметром обечайки, равным 0.7 диаметра проточного канала, и длиной ребер равной 1.8 длины обечайки. На кривой б показана метрологическая характеристика изготовленного расходомера на Ду 200, с диаметром обечайки, равным 0.55 диаметра проточного канала, и длиной ребер равной 1.5 длины обечайки. К ребрам со стороны набегающего потока прикреплено распределительное кольцо диаметром 160 мм длиной 20 мм. Для измерения расхода так же использован унифицированный турбинный преобразователь расхода с измерительным каналом диаметром 68 мм.
Заявляемое техническое решение позволяет получить технологичный и экономичный парциальный расходомер с высокими метрологическими характеристиками и небольшими потерями напора.