УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
DEVICE FOR MEASURING FLOW RATE OF FLUID MEDIUM

Изобретение относится к области измерения количества газов и жидкостей, транспортируемых по трубопроводам, путем формирования перепада давления при пропускании их через сужающие устройства. Изобретение может использоваться в составе контрольно-измерительной аппаратуры на нефтепроводах и газопроводах, в том числе магистральных.
Известен измеритель расхода газа, включающий последовательно расположенные на одной оси струевыпрямитель и цилиндрическую форкамеру, сопло, цилиндрический патрубок и коническую насадку, а также кольцевые камеры с датчиками для замера высокого и низкого давлений, размещенные коаксиально с охватом цилиндрической форкамеры и цилиндрического патрубка и сообщающиеся посредством продольных пазов с их внутренними полостями (WO 98/48246, опубл. 29.10.1998).
Известен также измеритель расхода газа близкой конструкции, в котором измерительный участок низкого давления конически расширяется в сторону входного отверстия конической насадки (патент RU 2186341, опубл. 27.02.2002).
Недостатком обеих конструкций является то, что в них не учтено влияние на точность измерения деформационной компоненты, возникающей из-за разности давлений в цилиндрической части и внутреннего давления в потоке на выходе из сопла и подходе к измерительному участку низкого давления в охватывающей полости цилиндрического патрубка, а также возможность возникновения отрыва пристеночного слоя и срыва потока из-за турбулентных пульсаций этого пристеночного слоя, вызванных турбулентными явлениями в потоке на данном участке. Это снижает точность измерения перепада давления и, соответственно, расхода газа, особенно при средних и больших (магистральных) расходах.
Наиболее близкий аналог предлагаемого изобретения описан в патенте RU №2457442 (опубл. 27.12.2011), из которого известно устройство для измерения расхода пробы текучей среды, включающее последовательно расположенные вдоль общей оси струевыпрямитель- хонейкомб, цилиндрическую камеру высокого давления, соп-ло, камеру низкого давления, камеру отбора проб и диффузор, причем камера высокого давления сообщается с охватывающей ее кольцевой камерой замера высокого давления, камера низкого давления сообщается с охватывающей ее кольцевой камерой формирования низкого давления.
По результатам испытаний этого устройства установлено, что на больших расходах резко возрастает величина потерь давления и скоростного напора в потоке, что является серьезным недостатком. Основные потери (до 60% от общих потерь в расходомере) приходятся на вторую половину длины диффузора, где развиваются турбулентные пульсации, вызывающие отрыв потока от стенки диффузора и появление вихрей. Это является существенным для расходомера с низкой погрешностью измерения (<0,15%), в особенности при больших скоростях движения текучей среды.
Устройство предлагаемой конструкции позволяет заметно снизить потери давления при измерении расхода текучей среды и повысить достоверность и точность измерения.
Согласно изобретению устройство для измерения расхода текучей среды, включает последовательно расположенные хонейкомб, форкамеру, сопло, камеру низкого давления и диффузор, причем камера высокого давления сообщается с охватывающей ее кольцевой камерой формирования высокого давления, камера низкого давления сообщается с охватывающей ее кольцевой камерой формирования низкого давления. Форкамера содержит часть с гладкой поверхностью и часть со щелевой перфорацией, а диффузор содержит конически расширяющуюся часть и нелинейно расширяющуюся часть, которую охватывает сообщающаяся с ней разгрузочная камера.
Форкамера сообщается с охватывающей ее камерой формирования высокого давления, а камера низкого давления сообщается с охватывающей ее камерой формирования низкого давления с помощью продольных щелевых перфораций, поперечное сечение которых расширяется кнаружи (внешняя часть имеет форму параболы, открытой наружу).
Корпус устройства предпочтительно выполнять разъемным с фланцевым соединением, стык которого совпадает с поперечным сечением, разделяющим коническую и нелинейную части диффузора. Такое конструктивное исполнение облегчает обслуживание расходомера. Первая по ходу потока часть разъемного корпуса содержит все конструктивные элементы, относящиеся к собственно измерению расхода, и далее будет называться измерительной частью корпуса, а вторая часть корпуса, в которой находится нелинейная часть диффузора, - диффузорной частью корпуса.
Устройство может быть снабжено по крайней мере одним штуцером для датчика температуры торможения, который соединяется с форкамерой в части, имеющей гладкую поверхность, или с нелинейной частью диффузора. Возможен вариант с использованием двух штуцеров для датчиков температуры торможения.
Кроме измерения расхода текучей среды устройство может использоваться для формирования и отбора пробы текучей среды для определения ее качественного и количественного состава. Для этой цели устройство между соплом и диффузором может дополнительно включать участок отбора пробы и охватывающую его кольцевую камеру формирования пробы.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На Фиг. 1 показан продольный разрез устройства для измерения расхода текучей среды.
На Фиг. 2 представлено поперечное сечение А-А через щелевую часть форкамеры.
На Фиг. 3 - поперечное сечение Б-Б через камеру формирования низкого давления.
На Фиг. 4 - изображено поперечное сечение В-В через камеру формирования пробы.
1
1
Позицией 1 на чертежах обозначен входной фланец измерительной части корпуса, позицией 2 - хонейкомб. Поперечное сечение хонейкомба 2 представляет собой решетку с ячейками квадратной или шестиугольной формы. Стенка 3 измерительной части корпуса окружает форкамеру с передней по ходу потока гладкой частью 5 и задней - щелевой частью 6. Форкамеру по периферии охватывают разгрузочная камера (7), она же и камера 8 формирования высокого давления (P). С гладкой частью 5 форкамеры соединен штуцер 4 для датчика температуры торможения (T*), а с камерой 8 формирования высокого давления соединен штуцер 9 для датчика высокого давления.
2
За щелевой частью 6 форкамеры и соосно с ней находится изоэнтропное (адиабатическое) сопло 10 и охватывающая его разгрузочная камера 11. За соплом 10 находится измерительный участок 12 и охватывающая его камера формирования низкого давления (Р), с которой соединен штуцер 13 для датчика низкого давления. Измерительная часть корпуса оканчивается выходным фланцем 18, по оси которого расположена конически расширяющаяся (линейная) часть линейная часть 17 диффузора.
Если устройство желательно использовать не только для измерения расхода, но и для отбора пробы текучей среды, то в измерительной части корпуса между измерительным участком 12 и входом в коническую часть диффузора 17 вставляют участок 15 отбора пробы и охватывающую его камеру 16 формирования пробы, соединенную с выходным фланцем 18, с которой соединен по крайней мере один штуцер 14 для отбора пробы.
Диффузорная часть корпуса включает входной фланец 19 и выходной фланец 25, соединенные стенкой 22. Внутри диффузорной части корпуса находятся нелинейно расширяющаяся часть 21 диффузора и охватывающая его разгрузочная камера 20
На нелинейной части 21 диффузора выполнены сквозные отверстия 24, обеспечивающие связь разгрузочной камеры 20 с потоком измеряемой текучей среды. Камера 20 выполняет статическую разгрузку нелинейной части 21 диффузора от статического давления потока текучей среды путем создания равенства давлений на внешней и внутренней поверхностях нелинейной части 21 диффузора. Статическая разгруженность форкамеры 5, сопла 10 и нелинейной части 21 диффузора обеспечивает неизменность размеров сечений этих элементов при пульсациях скоростей и давления в потоке и, таким образом, обеспечивает инвариантность всей конструкции к величине давления и скорости потока.
2
1
2
1
2
С нелинейной частью 21 диффузора может быть соединен штуцер 23 для второго датчика температуры торможения (Т*). Использование одновременно двух датчиков температуры торможения (на штуцерах 4 и 23) позволяет следить за загрязнением проточного тракта. Поскольку температура торможения потока является инвариантом в движущемся потоке, то значения T* и Т* отличаются между собой на весьма малую величину (это потери на форкамере и сопле, которые очень малы), которая лежит обычно за пределами погрешности датчиков. Если разность температур T* и Т* становится измеримой, это свидетельствует о накоплении загрязнений и необходимости регламентной промывки проточного тракта и расходомера в целом.
Штуцеры, не имеющие на чертежах цифровых обозначений, могут использоваться для промывки соответствующих камер в случае отложения в них загрязнений, ухудшающих работу устройства.
Увеличение длины форкамеры по сравнению с ранее известными конструкциями, улучшает процессы массопереноса между струями патока текучей среды и более эффективно выравнивают скорость генерального движения потока. Это способствует уничтожению продольных и поперечных пульсаций скорости и давления и тем самым, обеспечивает высокую достоверность измерения давления.
Величина потерь давления при измерении расхода устройством предлагаемой конструкции снижается более чем вдвое по сравнению величиной потерь в ранее известных устройствах.