СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для измерений расхода и количества газообразных или жидких сред.
Известны системы измерения расхода в линиях подачи текучей среды (Кремлевский П.П., «Расходомеры и счетчики количества веществ», справочник, книга I, II, С-П, «Политехника», 2002).
Известна система для измерения расхода текучих сред (WO 2004/025229 А1, 2004.03.25) содержащая линию подачи текучей среды, расходомер для измерения расхода текучей среды, имеющий минимально измеримое значение потока и клапан с входом и выходом текучей среды, выполняющий смещение между открытым положением для измерения потребленного расхода, который выше минимально измеримого значения, и положением пульсирования, при котором клапан приспособлен или для периодического прекращения поступления текучей среды в линию подачи до тех пор, пока не возрастет перепад давления между входом и выходом клапана при расходе потока, который ниже минимально измеримого значения, или для пропуска текучей среды в линию подачи до тех пор, пока перепад давления не уменьшится ниже заданного порогового значения закрытия клапана.
Для этого клапан содержит корпус с камерой управления, расположенный между входом и выходом, запирающий элемент, расположенный в камере управления и имеющий входную запирающую поверхность с уплотняющим участком поверхности и управляющим элементом, имеющим управляющий участок поверхности, и стравливающее отверстие, определяющее минимальное пороговое значение расхода через камеру управления, при этом запирающий элемент перемещается между открытым положением и закрытым положением в зависимости от перепада давления на запирающем элементе, указанный перепад давления нарастает, когда потребляемый расход в линии подачи текучей среды ниже измеримого порогового значения расхода.
Недостаток данной системы заключен в том, что точность измерения расхода в режиме прерывания потока низкая и определяется динамической погрешностью используемого расходомера.
При расходах выше минимально измеримого порогового значения расхода расходомера клапан постоянно открыт, а при расходах ниже минимально измеримого порогового значения расхода расходомера клапан находится в пульсирующем режиме, заставляя измерять в пульсирующем режиме расходомер. При этом скорость открытия-закрытия клапана и величина смещения плунжера определяются скоростью потока.
Применение накопительного пространства и клапана данной конструкции не повышает точности измерений, так как общая погрешность расходомера в пульсирующем режиме увеличивается из-за динамической погрешности.
Задачей заявляемого технического решения является повышение точности измерения расхода, расширение диапазона измерения, упрощение и удешевление системы измерения расхода.
Поставленная задача решается системой измерения расхода текучей среды, содержащей линию подачи текучей среды, клапан открывания и закрывания потока текучей среды с гистерезисной характеристикой и измерительную камеру, имеющую фиксированный объем.
Клапан, совместно с измерительной камерой, является измерительным преобразователем.
Клапан содержит корпус с закрепленной в нем втулкой, имеющей две поверхности запирания и подвижный поршень, причем одна запирающая поверхность на торце втулки (торцевое седло), на которое тарелка поршня ложится своей плоскостью, а вторая (цилиндрическое седло) на внутренней поверхности втулки, в которое тарелка поршня входит своей торцевой поверхностью.
Импульсное пропускание текучей среды и гистерезисность срабатывания клапана достигается благодаря взаимодействию постоянных магнитов для прижима тарелки клапана к запирающей поверхности и наличию двух запирающих поверхностей с различной площадью перекрытия. Измерительный преобразователь непрерывного потока текучей среды в квантованный поток предназначен для измерения расхода текучей среды путем прерывания измеряемого потока текучей среды с частотой пропорциональной расходу и формирования электрического импульсного сигнала с частотой прерывания.
Измерительный преобразователь непрерывного потока текучей среды в квантованный поток представляет собой клапан с гистерезисной характеристикой открывания и закрывания. Открытие клапана происходит скачком при достижении на нем верхней границы перепада давления. Закрытие клапана происходит скачком после снижения перепада давления на нем до нижней границы перепада давления.
Необходимое усилие для запирания клапана задается взаимодействием постоянных магнитов: неподвижного магнита, закрепленного во втулке клапана и подвижного, закрепленного на поршне.
Границы перепада давления на клапане, при которых происходит скачкообразное открытие и закрытие клапана, определяется силой взаимодействия магнитов, площадью торцевого седла и площадью цилиндрического седла.
Верхняя граница перепада давления, при достижении которой клапан скачкообразно открывается, определяется из соотношения
1
где F - сила взаимодействия между магнитами на расстоянии единицы длины между ними;
t
L - расстояние между магнитами при закрытом клапане;
t
S - площадь торцевого седла.
γ - показатель степенной функции, аппроксимирующей зависимость изменения взаимодействия между магнитами с изменением расстояния между ними.
Нижняя граница перепада давления, при которой давление газа на клапан уменьшается на столько, что клапан скачком закрывается, определяется из соотношения
c
где L - расстояние между магнитами, когда плоскость уплотнения поршня совпадает с входной плоскостью цилиндрического седла;
c
S - площадь входной плоскости цилиндрического седла.
Скачкообразность открытия клапана задается соотношением площади цилиндрического седла к площади торцевого седла . Чем больше это отношение, тем с большим ускорением открывается клапан.
t
c
Время, в течение которого клапан находится в открытом состоянии, определяется массой клапана, длиной цилиндрического седла (L-L), возвращающей силой, объемом измерительной камеры и текущим расходом текучей среды. За это время перепад давления на клапане в результате перетока текучей среды через клапан и выравнивания давления в трубопроводе должен стать меньше, чем ΔPn. Иначе клапан не преодолеет поток текучей среды на выходе цилиндрического седла и не закроется.
Параметры, определяющие время колебания поршня как маятника, задаются такими, чтобы за время пока клапан открыт, перепад давления на нем всегда стал меньше, чем ΔPn.
В этом случае, при закрытии клапана поршень будет проходить входную плоскость цилиндрического седла не задерживаясь, а объем кванта текучей среды, прошедшего через клапан, будет определятся пропускной способностью клапана, объемом измерительной камеры и временем колебания клапана.
На рис 1 - представлена система измерения расхода текучей, среды, где;
1 - Линия подачи текучей среды,
2 - Клапан,
3 - Измерительная камера,
4 - Регулятор давления.
На рис 2 - клапан в системе измерения расхода текучей, среды, где;
5 - Корпус клапана.
6 - Втулка.
7 - Торцевая поверхность.
8 - Цилиндрическая поверхность,
9 - Поршень с тарелкой
10 - Уплотнение.
11 - Магниты.
Система измерения текучей среды содержит линию подачи текучей среды - 1, на которой установлен клапан - 2, за клапаном находится измерительная камера - 3, ограниченная регулятор давления - 4.
Клапан содержит корпус - 5, внутри которого размещены втулка - 6 с торцевой поверхностью - 7 (торцевое седло), цилиндрической поверхностью - 8 )Цилиндрическое седло) и поршень с тарелкой - 9, магниты - 11. Тарелка поршня - 9 снабжена уплотнением - 10.
Система, на примере газообразных сред, работает следующим образом. В начальном состоянии, при недостаточном перепаде давления на клапане, клапан заперт. По мере расхода газа потребителем, давление в измерительной камере падает, увеличивая разность давления на клапане. При достижении верхней границы перепада давления, газ начинает поступать через торцевое седло в область между торцевым и цилиндрическим седлами. Объем этой области выполнен минимальным, поэтому давление в ней быстро нарастает до уровня давления на входе поршня. Сила давления на тарелку поршня быстро увеличивается во столько раз, во сколько площадь цилиндрического седла больше площади торцевого седла  и клапан начинает открываться. Одновременно, по мере перемещения тарелки поршня вдоль цилиндрического седла, по степенному закону уменьшается сила взаимодействия магнитов. Оба перечисленных фактора обеспечивают резкий выброс поршня из цилиндрического седла с большой скоростью. Такой выброс сохраняется при работе клапана во всем диапазоне измерения расхода газа. Движение поршня может демпфироваться различными устройствами: резиновым кольцом, пружиной, отталкиванием постоянных магнитов, в результате чего, совершив колебание, клапан возвращается на место. В процессе колебания поршня газ поступает через клапан из трубопровода в измерительную камеру, выравнивая в ней давление по отношению к трубопроводу. Объем измерительной камеры задается таким, чтобы к моменту возврата поршня разность давления между измерительной камерой и входным давлением клапана стала меньше нижней границы перепада давления. Выполнение этого условия обеспечивает устойчивое закрытие клапана при возврате поршня. После чего цикл повторяется. Поскольку время снижения давления в измерительной камере определяется и расходом газа и объемом измерительной камеры, то начальная частота пульсаций задается значением объема измерительной камеры, а рост частоты определяется расходом. Частота пульсаций фиксируется электромагнитным преобразователем, например, герконом и подается на счетчик расхода. Регулятор давления, установленный после измерительной камеры, обеспечивает снижение пульсаций давления газа у потребителя до нормативных значений и, одновременно, выполняет функции регулирования и стабилизации выходного давления.