СЧЕТЧИК-РАСХОДОМЕР
COUNTER-FLOW METRE

Изобретение относится к измерительным устройствам и может быть использовано в технологических трубопроводах для измерения количества газа или жидкости, в ЖКХ и производственных процессах, а также в узлах учета энергоресурсов для коммерческого расчета.
Известны расходомеры газа и жидкости [1 - С.Л.Трескунов и др. Струйные автогенераторные расходомеры - новый тип измерителей расходов. // П и СУ, №11, 1990], содержащие основной и байпасный каналы, причем в основном канале расположен генератор на струйных элементах. Основным недостатком таких устройств является недостаточный диапазон измеряемого расхода, сравнительно большой нижний уровень расхода, с которого начинается измерение и выработка сигнала на включение канала байпаса с помощью датчика перепада, а также течение среды в основном и измерительном каналах.
Известны струйные счетчики-расходомеры [2 - Патент РФ №2175436. П.А.Аристов. Автогенераторные расходомеры-счетчики. Опубл. 2001; Расходомеры-перепадомеры струйные типа РПС1, РПС2; ООО ИТЦ Промкомлектинжиниринг, Каталог средств измерения. Смоленск, 2009]. Недостатком таких расходомеров является протекание расхода измеряемой среды через все полости и камеру взаимодействия струи и стенки струйного генератора, что не всегда технологически удовлетворительно, понижает ресурс, появляются возможности отказов аппаратуры.
Известно устройство (принятое за прототип) измерения количества вещества путем суммирования величин расхода за какой-либо промежуток времени [3 - Пневматические приборы системы СТАРТ. Каталог ЦНИИТЭИ. M., 1973, с.121], включающий преобразование сигнала повторителем и нелинейным элементом в виде дифференциального манометра, подключенного к сужающему устройству. Кроме того, дополнительные усилители и нелинейные элементы - настроечные дроссели - значительно усложняют схему. Функциональная компенсационная связь содержит импеллер с параллелограммным механизмом и центробежными грузами, подверженных влиянию параметров по давлению и механических настроек. Большие габариты, вес, механические передачи, снижающие надежность прибора, большая постоянная времени измерения, измерение с большой погрешностью можно отнести к недостаткам.
Целью изобретения является измерение расхода сред, в том числе агрессивных, преобразование сигнала путем упрощения функциональной связи, ее линеаризации, возможности измерения в числовой форме, а также уменьшение аппаратурного состава и повышения надежности работы всего устройства.
Предложен счетчик-расходомер, содержащий дифференциальный манометр к сужающему устройству и вычислительное устройство, отличающийся тем, что дифференциальный манометр, выполненный пневматическим с аналоговым выходом, подключен к струйному генератору с пропорциональным частотным выходом и к входу вычислительного устройства, к другому входу которого подключен струйный генератор.
Известные счетчики-расходомеры-перепадомеры не имеют пневматической функциональной связи между измерительной частью и частью устройства, осуществляющей преобразование аналогового сигнала в частотный, одновременно с функциональным преобразованием нелинейной зависимости в линейную. Предложенное сочетание функциональных элементов позволяет значительно упростить аппаратурный состав расходомера, снизить погрешность измерения и получить удобную для считывания информацию потребителю, а при размещении в системе регулирования для передачи в устройства обработки информации.
На чертеже представлено предложенное устройство измерения расхода потока в трубе с сужающим устройством, при котором существует квадратичная связь между расходом и перепадом давления.
На чертеже обозначено: 1 - труба с измеряемым потоком среды; 2 - сужающее устройство; 3 и 4 - точки отбора давления; 5 и 6 - импульсные каналы отбора давления; 7 - дифференциальный манометр с пневматическим выходом; 8 - струйный генератор; 9 - вычислительное устройство.
Рассмотрим работу предложенного устройства, показанного на чертеже.
Измерение расхода на сужающем устройстве (диафрагме) 2 с помощью дифференциального манометра (датчика перепада давления) 7 путем отбора величин статического давления по импульсным каналам 5, 6 в точках 3, 4 требует выдерживания определенного набора ограничений (например, определяемых ГОСТ, отбор в определенных точках трубы, выдерживание прямолинейных участков до и после отбора и др.). Между расходом Q и перепадом давления ΔР при измерении имеется непрерывная нелинейная (квадратичная) связь.
Сигнал по элементам схемы 3, 4, 5, 6 от 7 к 8 и 9 передается в аналоговой форме. Сигнал от струйного генератора 8 передается в частотной форме элементу 9. Пневматическая среда используется в элементах 7, 8, а в элементах с 1 по 6 может передаваться через непневматическую среду.
Импульсы можно далее передать в систему управления в пневматической форме или, например, пьезопреобразователями в электрической форме.
1/2
1
Выходное давление воздуха дифференциального манометра 7 через усилитель подается в канал питания струйного генератора 8. Струйный генератор 8 измеряет объемный расход воздуха q, который связан нелинейным соотношением с выходным сигналом ΔР дифференциального манометра q=kΔР, и выполняет функцию пневматического прибора извлечения квадратного корня. Струйный генератор 8 одновременно вырабатывает частотный сигнал f, пропорциональный объемному расходу q=kf и измеряемому объемному расходу Q среды, протекающей по трубе 1. В такой информационной цепи сигнал искомого расхода Q получает процедуру преобразования по следующей зависимости:
1/2
1/2
1
2
3
q=kΔP=kf и далее f=kΔР=kQ,
1
2
где k, k, k - коэффициенты пропорциональности.
После струйного генератора 8 выходной сигнал с частотой f поступает во вторичный прибор вычислитель 9 для входа в общую систему регулирования объектом и одновременно для считывания по дистанционным каналам и для визуального восприятия информации о расходе и количестве N по объему протекающей среды за определенный промежуток времени в частотной и аналоговой форме. Измеряемая среда Q, протекающая через измерительное устройство 1, может быть другой, отличной от пневматической, например агрессивной.
Частота f устойчивых колебаний струи, пропорциональной объемному расходу Q и корню квадратному из отношения перепада давления ΔР дифференциального манометра к плотности ρ измеряемой среды, определяется вычислителем 9 по формуле
3
2
1/2
f=kQ=k(ΔР/ρ),
2
1
3
где k=k/k и k - коэффициенты пропорциональности.
Далее, используя эти параметры, вычислителем определяются плотность ρ и массовый расход М измеряемой среды по формулам
4
5
2
ρ=kΔР/f и M=kΔP/f,
4
5
где k, k - коэффициенты пропорциональности.
Таким образом, предложенный счетчик-расходомер измеряет объемный расход Q, массовый расход М, количество по объему и массе, а также плотности ρ протекающей среды по трубе. Предложенный счетчик-расходомер позволяет нелинейный сигнал от дифференциального манометра преобразовать в пропорциональный сигнал в частотной форме, упростить аппаратурный состав и повысить надежность схемы измерения расхода различных сред, используя пневматическую среду для процедуры преобразования.