ТУРБИННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ РАСХОДА

Полезная модель относится к измерительному оборудованию, а именно к турбинным преобразователям расхода, используемым, в частности, для выдачи информации об объемном расходе измеряемой жидкости, например нефти или нефтепродукта, в виде последовательности электрических импульсов с частотой, пропорциональной расходу, впоследствии преобразуемой вычислительным устройством. Полезная модель может быть использована, например в нефтяной промышленности.
Известен турбинный расходомер жидкости (турбинный преобразователь расхода) [Пат. РФ №153531 U1, МПК G01F 1/00, з. 24.02.2015, оп. 27.07.2015], принятый за прототип, включающий корпус с фланцами по концам (по торцам), патрон (картридж), закрепленный в корпусе с использованием разъемных соединений, соосный корпусу, содержащий гильзу, турбину с двумя или более лопастями в форме геликоида (расположенными на ступице), опорные крестовины (обтекатели) с подшипниками для крепления оси турбины, установленные на корпусе датчики оборотов (магнитоиндукционные датчики), выдающие в систему обработки информации данные для счета числа оборотов турбины, преобразуемые далее по установленным соотношениям в показатель расхода, причем, гильза патрона (картриджа) установлена по отношению к корпусу с зазором, который сообщен через систему отверстий с проточной частью расходомера и служит теплолозащитной рубашкой, а каждая лопасть турбины выполнена с принятым для данного диапазона характеристик набегающего потока соотношением углов наклона образующей геликоида (α) и углом наклона винтовой линии (β), при этом расположенная против потока геликоидная поверхность лопасти образована восходящим винтовым движением отрезка прямой вокруг оси геликоида против часовой стрелки относительно оси, направленной навстречу потоку, а кромки срезаны по форме оболочки тела вращения, образующая которой - плавная кривая, близкая к кривой второго порядка.
Недостатками прототипа являются:
- отсутствие возможности замены или контроля состояния подшипников для крепления оси турбины, ввиду того, что патрон (картридж) выполнен неразборным, а турбина установлена в подшипниках на опорных крестовинах (обтекателях), присоединенных неразъемно к гильзе, что приводит к снижению ремонтопригодности и надежности;
- преждевременный износ подшипников вращения турбины, ввиду наличия абразивных примесей в измеряемой жидкости, что приводит к снижению надежности;
- выполнение турбины из магнитной стали приводит к выдаче информации об объемном расходе измеряемой жидкости в виде частотного электрического сигнала синусоидальной формы, обладающего достаточно низким разрешением, а учитывая то, что между лопастями турбины и датчиком оборотов находится препятствие в виде стенки гильзы патрона (картриджа), толщина которой зависит от рабочего давления, на которое рассчитано устройство, то с увеличением толщины данной стенки возникающий электрический сигнал слабеет, и увеличивается погрешность его последующего преобразования, и, следовательно, снижается точность измерений.
Технической проблемой является обеспечение точности и достоверности выдаваемой информации об объемном расходе измеряемой жидкости.
Технический результат выражается в повышении точности информации, выдаваемой турбинным преобразователем расхода, включая повышение надежности и ремонтопригодности.
Указанный технический результат достигается тем, что турбинный преобразователь расхода включает корпус с фланцами по торцам, установленные на корпусе магнитоиндукционные датчики, картридж, закрепленный в корпусе с использованием разъемных соединений соосно корпусу, содержащий гильзу, турбину с по меньшей мере двумя лопастями в форме геликоида, расположенными на ступице, закрепленную с возможностью осевого вращения между двумя обтекателями, каждый из которых включает ступицу и ребра.
Согласно предложенному техническому решению гильза турбинного преобразователя расхода состоит из по меньшей мере двух цилиндрических частей, соединенных между собой разборным соединением, при этом обтекатели неподвижно закреплены в каждой крайней цилиндрической части гильзы, а в ступице каждого обтекателя со стороны установки турбины неподвижно закреплена полуось, турбина выполнена из немагнитного материала, а на каждой из лопастей турбины с наружной части закреплен по меньшей мере один постоянный магнит, проходящий в зоне взаимодействия с магнитоиндукционными датчиками при вращении турбины, в ступице турбины с обеих сторон установлены, с возможностью замены, подшипники скольжения, причем полуоси и подшипники скольжения выполнены из твердых сплавов.
В частности, каждый магнитоиндукционный датчик может включать микропроцессорный узел.
Кроме того, в качестве твердых сплавов могут быть использованы вольфрамокобальтовые твердые сплавы.
Лопасти турбины могут быть выполнены с принятым для данного диапазона характеристик набегающего потока соотношением углов наклона образующей геликоида (α) и углом наклона винтовой линии (β), при этом расположенная против потока геликоидная поверхность каждой лопасти образована восходящим винтовым движением отрезка прямой вокруг оси геликоида против часовой стрелки относительно оси, направленной навстречу потоку, а кромки срезаны по форме оболочки тела вращения, образующая которой - плавная кривая, близкая к кривой второго порядка.
Целесообразно в качестве разъемного соединения цилиндрических частей гильзы использовать гладкое соединение, как наиболее простое и надежное.
Заявляемая полезная модель поясняется фиг. 1-6. На фиг. 1 изображен турбинный преобразователь расхода; на фиг. 2 - картридж в разрезе; на фиг. 3 - крепление турбины, вид А; на фиг. 4 - турбина, разрез Б-Б; на фиг. 5 - турбина, разрез В-В; на фиг. 6 - турбина, вид Г.
Турбинный преобразователь расхода включает корпус 1 (фиг. 1), выполненный в виде отрезка трубы с приваренными по торцам фланцами 2, предназначенными для установки турбинного преобразователя расхода в измерительную линию (не показана). На корпусе 1 (фиг. 1) установлены два магнитоиндукционных датчика 3, каждый из которых представляет собой катушку индуктивности с сердечником из магнитомягкого материала (не показана). Кроме того, каждый из магнитоиндукционных датчиков 3 (фиг. 1) включает микропроцессорный узел (не показан). Внутри корпуса 1 (фиг. 1) соосно установлен картридж 4, и закреплен с помощью прижимного кольца (не показано), зафиксированного, например винтовыми соединениями (не показаны). Картридж 4 (фиг. 1) представляет собой гильзу, состоящую из двух цилиндрических частей 8, 9 (фиг. 2), соединенных между собой разборным соединением (не показано) и зафиксированных пружинным стопорным кольцом (не показано). В каждой из двух цилиндрических частей 8, 9 (фиг. 2) гильзы неподвижно, например при помощи сварки, закреплен обтекатель 7, состоящий из ступицы и ребер. В зависимости от размеров турбинного преобразователя расхода гильза картриджа 4 (фиг. 1) может состоять, например из трех цилиндрических частей (не показаны), в этом случае только в каждой крайней цилиндрической части гильзы неподвижно закреплен обтекатель 7 (фиг. 2). В ступице каждого обтекателя 7 (фиг. 2, 3) со стороны установки турбины 6 (фиг. 2) неподвижно закреплена полуось 10 (фиг. 3), выполненная из вольфрамокобальтового твердого сплава. Между двумя обтекателями 7 (фиг. 2) закреплена с возможностью вращения турбина 6, в ступице которой с обеих сторон установлены подшипники скольжения 13 (фиг. 3), выполненные из вольфрамокобальтового твердого сплава. Для обеспечения возможности замены подшипников скольжения 13 (фиг. 3), каждый из данных подшипников запрессован во втулку 5, неподвижно закрепленную резьбой в ступице 12 турбины 6 (фиг. 1, 2). Турбина 6 (фиг. 1, 2) выполнена одной деталью из немагнитного материала и содержит две лопасти (не показаны) в форме геликоида, расположенные на ступице 12 (фиг. 3, 4). Лопасти (не показаны) турбины 6 (фиг. 1, 2) выполнены с принятым для данного диапазона характеристик набегающего потока соотношением углов наклона образующей геликоида α (фиг. 5) и углом наклона винтовой линии β (фиг. 6), при этом расположенная против потока геликоидная поверхность каждой лопасти образована восходящим винтовым движением отрезка прямой вокруг оси геликоида против часовой стрелки относительно оси, направленной навстречу потоку, а кромки срезаны по форме оболочки тела вращения, образующая которой -плавная кривая, близкая к кривой второго порядка. На каждой из лопастей турбины 6 (фиг. 1, 2) с наружной части закреплен один постоянный магнит 11 (фиг. 6), расположенный в зоне взаимодействия с магнитоиндукционными датчиками 3 (фиг. 1) при вращении турбины 6 (фиг. 1, 2). Все детали картриджа 4 (фиг. 1), за исключением подшипников 13 (фиг. 3) и полуосей 10, выполнены из коррозионностойкой немагнитной стали.
Турбинный преобразователь расхода работает следующим образом.
Производят монтаж турбинного преобразователя расхода в измерительную линию. Проходя через обтекатель 7 (фиг. 1, 2), расположенный на входе в турбинный преобразователь расхода, поток жидкости, например нефти, протекающей в измерительной линии, распределяется ребрами обтекателя 7 и попадает на лопасти турбины 6. Энергия потока нефти приводит во вращение турбину 6 (фиг. 1, 2), скорость вращения которой пропорциональна объемному расходу нефти. Подшипники скольжения 13 (фиг. 3) используют смазочные свойства измеряемой жидкости. Для улучшения условий обтекания, необходимого при измерении высоковязких и волокнистых сред, кромки лопастей турбины 6 (фиг. 1, 2) со стороны набегающего потока срезаны по форме оболочки тела вращения, образующая которой - плавная кривая, близкая к кривой второго порядка, например окружности.
Исполнение турбины 6 (фиг. 1, 2) варьируется в зависимости от предполагаемых скоростей и вязкости потока измеряемой жидкости, для чего определяются эмпирически оптимальные соотношения угла наклона образующей геликоида (α) и угла наклона винтовой линии (β). При этом, благодаря тому, что картридж 4 (фиг. 1) установлен в корпусе 1 с возможностью извлечения, а гильза картриджа 4 состоит из двух цилиндрических частей 8, 9 (фиг. 2), обеспечивается возможность установки в один и тот же турбинный преобразователь расхода турбины 6 (фиг. 1, 2), предназначенной для конкретных условий измерения. Кроме того, обеспечивается возможность проводить контроль состояния подшипников 13 (фиг. 3) и осей 10, своевременно обнаруживать, и устранять неисправности. Выполнение подшипников 13 (фиг. 3) и осей 10 из вольфрамокобальтовых твердых сплавов обусловлено тем, что в большинстве случаев в измеряемой жидкости содержаться мелкие абразивные частицы, повышающие износ вращающихся частей устройства и приводящие к выходу турбинного преобразователя из строя. Благодаря вышеперечисленному, повышается надежность и ремонтопригодность.
Закрепленный на каждой лопасти турбины 6 (фиг. 1, 2) постоянный магнит 11 (фиг. 6) при вращении турбины 6 (фиг. 1, 2) воздействуют своим магнитным полем через стенку картриджа 4 (фиг. 1) на сердечник катушки индуктивности (не показан) каждого из магнитоиндукционных датчиков 3 (фиг. 1), при этом образуется электродвижущая сила самоиндукции. Каждый магнитоиндукционный датчик 3 (фиг. 1) обеспечивает усиление электродвижущей силы самоиндукции и формирование прямоугольных импульсов напряжения или тока с частотой, пропорциональной расходу жидкости. Сформированный выходной импульсный сигнал вне зависимости от возникающих внешних помех, таких как, экранирование элементами конструкции, помехи от расположенных вблизи электрических устройств и т.д. обладает высоким разрешением, что повышает точность его последующего преобразования, и тем самым, обеспечивается высокая точность выдаваемой турбинным преобразователем расхода информации.
Сформированный электрический импульсный сигнал поступает на микропроцессорный узел (не показан). При помощи микропроцессорного узла (не показан) электрический импульсный сигнал преобразуется в нормированные электрические импульсы объема с учетом введенных метрологических коэффициентов, а также производится вычисление накопленного объема и расхода. Ввод метрологических коэффициентов осуществляется, например, посредством интерфейса RS-485 (не показан). После ввода метрологические коэффициенты сохраняются в энергонезависимой памяти микропроцессорного узла (не показан). Полученная информация через кабель внешней связи передается в систему сбора и обработки информации (не показана), а также данная информация может быть доступна для чтения посредством интерфейса RS-485 (не показан). Информация, получаемая с двух магнитоиндукционных датчиков 3 (фиг. 1) сравнивается системой сбора и обработки информации (не показана), и в случае выявления расхождения в показаниях с данных датчиков служит поводом для внеочередной поверки турбинного преобразователя расхода.
В варианте исполнения турбинного преобразователя расхода, при котором магнитоиндукционный датчик 3 (фиг. 1) не включает микропроцессорный узел, преобразование электрического импульсного сигнала в нормированные электрические импульсы объема с учетом введенных метрологических коэффициентов, осуществляется преобразователем сигналов (не показан), например, входящим в состав системы сбора и обработки информации (не показана).