ДИНАМИЧЕСКАЯ ОБЪЕМНО-МАССОВАЯ РАСХОДОМЕРНАЯ УСТАНОВКА

Динамическая объёмно-массовая расходомерная установка.
Предлагаемая модель относится к области измерения количественных параметров жидкостей или сжиженных газов и может быть использована для градуировки (поверки) объёмных и массовых счётчиков количества жидкостей в нефтегазодобьшающей, нефтеперерабатывающей, химической и других отраслях промьппленности.
Динамические объёмные и массовые расходомерные установки нашли широкое применение при градуировке расходомеров на углеводородных топливах, не допускающих прямого контакта с атмосферой (см. В. Б. Бирюков, М. А. Данилов, С.С. Кивилис Точные измерения расхода жидкостей, М.; Машиностроение, 1977г., 1).
Из известных конструкций динамических массовых расходомерных установок наиболее широкое применение получили установки, в основу которых заложены тензометрические и вибрационно-частотные датчики.
Среди конструкций динамических объёмных расходомерных установок широкое распространение получили турбопоршневые установки (ТПУ) см. а.с. СССР №1245889 2 и а.с. СССР №872967 3.
Наиболее близкой по конструкции к заявляемой динамической объёмно-массовой расходомерной установке (прототипом) является турбопорпшевая установка по а.с. СССР №872967, которая содержит калиброванный участок трубопровода с детекторами его начала и конца, шаровые поршневые разделители (ПР), узел ввода ПР в калиброванный участок через пусковую и приёмную камеры, привод ПР, въшолненнъш в виде реверсивного насоса, подключённого через один штуцер к приёмной камере и через два штуцера с обратным клапаном к участку трубопровода узла ПР, который снабжён двумя позиционерами - ограничителями, расположенными до и после штуцеров с обратным клапаном.
МКИ 6 G 01 F 25/00
Данная установка (по а.с. №872967) хорошо зарекомендовала себя в производстве, однако к её недостаткам можно отнести малую эффективность её работы и даже неработоспособность при малых расходах из-за противодействия сил трения между шаром и трубой.
Следует отметить, что приведённые динамические объёмные и массовые расходомерные установки не обладают свойством универсальности, т.е. каждая установка, например, ТПУ предназначена только для градуировки (поверки) объёмных счётчиков количества жидкости, а динамическая массовая установка - только для массовых счётчиков количества жидкости.
в практике же часто возникает необходимость градуировки (поверки) объёмных и массовых счётчиков количества жидкости на одном объекте.
Целью заявляемой полезной модели является создание универсальной динамической объёмно-массовой расходомерной установки, позволяющей определять количественные и качественные параметры жидкостей и сжиженных газов, производить градуировку (поверку) объёмных и массовых расходомеров с существенным снижением нижней границы диапазона поверки.
Цель достигается тем, что калиброванный участок трубы установки расположен вертикально, на входе и выходе его установлены струевыпрямители, поплавок вьшолнен с расчётным значением объемной плотности и размещён внутри направляющих, установленных эксцентрично оси трубы, при этом направляющие поплавка вьшолнены в виде струн, расположенных по окружности относительно друг друга под углом 120° и обеспечивающих свободное перемещение поплавка.
На фиг. 1 представлена заявляемая динамическая объёмно-массовая расходомерная установка. Установка состоит из корпуса 1,вьшолненного в виде вертикальной трубы с калиброванным участком, включающим мерный участок h и разгонный участок L , предназначенный для достижения поплавком постоянной скорости. На входе и выходе калиброванного
участка установлены струевыпрямители 2, одновременно выполняющие роль успокоителя потока. В калиброванном участке трубы установлен датчик разности давлений 3, с отборниками давлений 4, поплавок 5, размещённый внутри направляющих (струн) 6, расположенных экспентрично оси трубы (корпуса) 1, при этом, направляющие 6 расположены по окружности относительно друг друга под углом 120° (возможно вьшолнение направляющей в виде стержня на котором свободно размещён поплавок по его оси симметрии, см. пЗ. формулы), что обеспечивает свободное перемещение поплавка и позволяет измерить среднюю скорость потока согласно 4 (,223Ктрубы.)- Установка содержит электродвигатель 7, на оси которого жёстко закреплены направляющие рамки 8, в желобах которых движется приводной трос 9, жёстко связанный с механизмом 10 вьшода поплавка 5 в исходное положение и устройство ввода-вьшода 11 поплавка; датчики крайних положений поплавка 12,сигнализаторы 13 времени прохождения поплавком мерного участка h, датчики давления 14, датчики температуры 15, импульсные трубки 16 и блок обработки информации 17.
Установка работает следующим образом (рассмотрим случай когда объемная плотность поплавка меньще плотности жидкости).
Поток жидкости из магистрального трубопровода с помощью переключающей запорной арматуры направляется снизу в установку (см. фиг. 1). Циркуляция жидкости через установку продолжается в течение 10-20 минут для выравнивания температуры потока и установки, затем поток с помощью переключающей арматзфы переключается в магистральную линию. В статическом режиме (корпус заполнен жидкостью) определяются следующие параметры жидкости: плотность, температура и давление, а также опреде.11яется скорость всплытия поплавка, для чего через устройство ввода-вывода 11 поплавок 5 предварительно размещается в направляющих 6. Конструктивно поплавок 5 вьшолняется таким образом, чтобы его объёмная плотность РП была меньше плотности жидкости  в рабочих условиях и даже при ее изменении в случае повьщ1ения температуры в практически возможных пределах .
Объёмная плотность ноплавка вычисляется по формуле:
р. - (2)
где: G - вес поплавка, кг; V - объём поплавка,  g - ускорение свободного падения, м/с.
При соблюдении условия формулы (1) поплавок 5 под действием выталкивающей силы медленно вспльюает вверх, т.к. направляющие выполнены в виде струн, а их всего 3, то они фактически не оказьшают сопротивления движению поплавка, лишъ ограничивают его поперечное перемещение.
После прохождения поплавком разгонного участка L скорость всплытия становится постоянной за счёт въфавнивания сил выталкивания и сил лобового сопротивления. При прохождении поплавком сигнализатора 13 подаётся команда в блок обработки информации (БОИ) 17 на отсчёт времени. При прохождении поплавком 5 мерного участка трубы h и достижении верхнего сигнализатора времени 13 подаётся команда в БОИ 17 - стоп отсчёту времени.
При известных значениях h и времени to определяется скорость всплытия поплавка в статике по формуле:
UBcn h/to(3)
h - длина мерного участка, м;
tfl- время всплытия в статике, с.
Согласно 4 скорость всплытия поплавка, в случае его сферической формы, определяется по формуле:
d - диаметр поплавка, м;
g - ускорение свободного падения,
РЖ- плотность жидкости,
РП - объёмная плотность поплавка, кг/м ;
Сх - коэффициент лобового сопротивления.
Приравнивая значения скорости всплытия в формулах (3) и (4), принимая неизменными параметры поплавка (G, V, рп) в узком диапазоне температур (20° ± 5°), путём подбора соответствующего материала поплавка, определим коэффициент лобового сопротивления поплавка.
i , 1 .(5)
4 Р.С,
-1
Определение плотности рабочей среды осуществляется дифференциальным методом, т.е. методом сравнения заключающемся в следующем. В импульсные трубки 16 заливается эталонная жидкость, плотность которой должна быть вьппе плотности измеряемой на величину обеспечивающую работоспособность датчика разности давлений. Перепад давления между эталонной жидкостью и рабочей средой воспринимается датчиком разности давления 3, а его электрические сигналы подаются в блок БОИ 17 для определения плотности измеряемой среды с учётом температуры и давления, измеряемых датчиками 15 и14.
Измерение плотности осуществляется по формуле:
(7)
g - ускорение свободного падения, м/с ;
h - расстояние между точками отбора давления, м;
Ар - разность давлений между столбом эталонной жидкости и измеряемой жидкости. Па;
Для приведения значений плотности эталонной жидкости к рабочим условиям (температура, давление) импульсная трубка с эталонной жидкость размещается внутри трубы мерного участка h. Для расчёта значения плотности эталонной жидкости в БОИ 17 заложен алгоритм ее определения:
P  (t-20)(8)
где: РУПО - плотность эталонной жидкости при нормальных условиях,
Р - температурный коэффициент изменения плотности эталонной жидкости,
kp коэффициент сжатия эталонной жидкости,
Р - избыточное давление, МПа.
Информация с датчиков 14 и 15 поступает в БОИ 17 совместно с информацией о перемещении (скорости всплытия) поплавка 5. Прохождение мерного участка h поплавком 5 фиксируется датчиком 12 верхнего крайнего положения, дающим команду на включение электродвигателя 7. Двигатель, включаясь, приводит в движение приводной трос 9, жестко связанный с механизмом 10 и поплавок 5 перемещается вниз в устройство ввода-вывода 11. При доставке поплавка в устройство ввода-вывода 11, осуществляется реверс двигателя 7, и приводной трос 9 с механизмом 10 возвращаются в первоначальное положение и электродвигатель отключается. Установка готова к следующему измерению. Процесс доставки поплавка в рабочее положение осуществляется автоматически.
J
в процессе прохождения жидкости через устаиовку, причём измерения производят после 10-15 минут, когда поток стабилизируется.
Измерение проводят в такой же последовательности, как и в статическом режиме. Скорость поплавка (Одп) в динамике определяется следующим образом
ид,  11/1д(9)
1д - время всплытия поплавка в динамике, с;
Тогда скорость потока (Un) определится из выражения
и„ идп-изоп(10)
поскольку очевидно, что она накладывается на скорость всплытия в статике.
В случае колебаний плотности жидкости в процессе измерений возможна корректировка скорости UBCH с помощью формулы (4). Запишем её в следующем виде:
и  (11)
° Pcj р,
где: , Iобозначим через п. Тогда формула (11) запишется в виде:
и.„  п (12)
т.е. на скорость всплытия влияет изменение плотности жидкости в зависимости от температуры и давления. Контроль за плотностью жидкости осуществляется с помощью датчика разности давлений эталонной жидкости и рабочей. Подставляя значение скорости Uecn из формулы (12) в формулу (10) получаем значение скорости потока:
(13)
где второй член правой части формулы позволяет производить коррекцию скорости при возможных изменениях плотности. При известной площади сечения калиброванного участка и скорости потока, объёмный расход жидкости в единицу времени определяется по формуле:
Q,U.(14)
Массовый расход соответственно определяется по формуле:
М,  (15)
Количество жидкости в объёмных и массовых единицах измерения определяется по формуле:
(16)
M. ,(17)
где: n - число циклов измерений;
ti - время всплытия поплавка в каждом цикле, с.
Работа динамической объёмно-массовой расходомерной установки осуществляется в автоматическом режиме по заданному алгоритму с вьщачей информации блоком БОИ о величинах значений объёма, массы, плотности жидкости, что позволяет вести градуировку (поверку) объёмных и массовых счётчиков количества жидкости, в том числе, счётчиков на малые расходы.
Предлагаемая установка имеет ряд существенных преимуществ перед существующими:
Осуществляется измерение количества жидкости в объёмных и массовък единицах измерения.
Определяются параметры рабочей среды: плотность, температура, давление.
Создаётся возможность градуировки счётчиков количества жидкости на малые расходы.
Снижаются габариты и вес установки.
является новой и прогрессивной, т.е. соответствует условиям патентоспособности полезной модели.
Список литературы
1.В. Б. Бирюков, М. А. Данилов, С. С. Кивилис; Точные измерения расхода жидкостей ; М. Машиностроение,; 1977.
2.Авторское свидетельство СССР №1245889 кп.ОО Р25/ОО.от23.07.85г
3.Авторское свидетельство СССР №872967 кп.ОО Р25/ОО.от17.10.81г.
4.А. Д. Альтшуль, Л. С. Животовский, Л. П. Иванов; Гидравлика и аэродинамика ; М. Стройиздат ; 1987.
5.П. П. Кремлёвский; Расходомеры и счётчики количества. Справочник ; Л. Машиностроение ; 1989.
Авторыч оД..П.Варламов
М.И.Чуринов