ЗОНДОВЫЙ ВИХРЕВОЙ ДАТЧИК РАСХОДА

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно: к расходомерам газообразных веществ, и может быть использована для учета потребления, например, сжатого воздуха, пара, углеводородных газов и т.п. при их транспортировке по трубопроводам.
Общеизвестна конструкция датчика [1], состоящая из встраиваемого в трубопровод проточного корпуса, в канал которого консольно выступает тело обтекания, преимущественно в виде размещенной перпендикулярно оси канала (и потока) призмы, которая вибрирует в направлении перпендикулярном к потоку под влиянием пульсации давлений на ее боковых сторонах. Сигналом датчика о величине расхода является частота вибраций тела обтекания в потоке, которая регистрируется и передается на измерительный прибор путем трансформации изгибных напряжений в соответствующий электрический сигнал, например с помощью, тензо- или пьезоэлементов, встроенных в тело обтекания.
Существенным недостатком таких датчиков является тот факт, что при переходе на измерения расхода измеряемой среды в трубах большого диаметра (до 1000 мм и более) собственная частота вибрации тела обтекания близка частоте полезного сигнала, что практически исключает возможность использования данной конструкции датчика расхода, не говоря о таких проблемах как повышенная металлоемкость, габариты.
Известен также расходомер-счетчик газа вихревой [2], предназначенный для измерения расхода газа и пара в трубопроводах. Работа датчика-расходомера основана на зависимости частоты пульсаций давления, возникающих в потоке за телом обтекания в процессе вихреобразования, от расхода измеряемой среды в трубопроводе. Расходомер газа состоит из проточного корпуса, встраиваемого в трубопровод, и датчика расхода, содержащего тело обтекания в виде трапецеидальной призмы, жестко закрепленной концами в теле корпуса перпендикулярно его оси, и два пьезочувствительных элемента, которые размещены в корпусе заподлицо с поверхностью канала корпуса за телом обтекания по разные стороны от последнего. Электронный вычислительный блок расположен или непосредственно на корпусе, или вынесен на некоторое расстояние от него и соединен с датчиком расхода посредством полой штанги и кабеля.
Известная конструкция расходомера для больших диаметров трубопроводов весьма материалоемка и их применение на подобных трубопроводах из-за повышенной погрешности измерения при больших размерах корпусов и каналов ограничено. К тому же велика трудоемкость монтажа, наладки, поверки, замены.
Практика длительной эксплуатации этих расходомеров показала, что причиной, если не основной, повышенной погрешности измерения являются вибрации присоединенных к датчику масс (трубопроводов), в том числе внешние кратковременные воздействия в виде ударов [3].
Наиболее близким техническим решением (прототипом) к заявляемому является зондовый вихревой датчик расхода [4], предназначенный для измерения расхода газа и пара в трубопроводах. Работа датчика-расходомера основана на зависимости частоты пульсаций давления, возникающих в потоке за телом обтекания в процессе вихреобразования, от расхода измеряемой среды в трубопроводе.
Известный зондовый вихревой датчик расхода содержит преобразователь расхода и вычислительный блок, размещенные, соответственно, на концах полой штанги, снабженной узлом герметизации ее относительно трубопровода и возвратно-поступательного осевого перемещения преобразователя расхода в перпендикулярном потоку измеряемой среды направлении, причем, в двух сквозных отверстиях верхней части корпуса преобразователя расхода, выполненного с прямоугольным (в плане) измерительным окном-каналом с размещенным в нем трапецеидальным телом обтекания, механически жестко зафиксированным с обоих концов в теле корпуса преобразователя расхода, соответственно встроены два пьезочувствительных элемента, электрически соединенные проводниками с вычислительным блоком, заподлицо с верхней поверхностью измерительного окна-канала, расположенные симметрично относительно продольной осевой линии тела обтекания за верхним его концом по ходу потока измеряемой среды, с возможностью непосредственного контактирования с измеряемой средой, верхняя часть корпуса преобразователя расхода и коаксиально совмещенная с ней заподлицо цилиндрическая втулка с внешней резьбой, сопряженные между собой (по нижней части цилиндрической втулки) центрирующим фланцевым выступом «выступ-впадина», скреплены между собой по внешним краям их торцов сварочным швом с одновременным фиксированием между внешней поверхностью верхней части корпуса преобразователя расхода и внутренней поверхностью цилиндрической втулки гарантированного зазора (Δ), причем, во фланце корпуса преобразователя расхода выполнена кольцевая проточка, внутренний (меньший) диаметр которой равен диаметру верхней части корпуса.
Конструкция датчика позволяет производить вполне корректные измерения расходов. Тем не менее, практика длительной эксплуатации датчиков показала, что при определенных частотах внешних сил, воздействующих на присоединенные к датчику массы (трубопроводы), вибрации последних передаются по полой штанге непосредственно конструкции преобразователя расхода, причем, это влияние тем сильнее, чем ближе собственные частоты двух колебательных систем:
- вибрирующих масс трубопровода и жестко связанной с ним полой штанги;
вибрирующих масс преобразователя расхода и жестко связанной с ним той же полой штанги.
Таким образом, цель создания заявляемой конструкции зондового вихревого датчика расхода (иначе - требуемый технический результат) заключается в обеспечении известному техническому решению более высоких потребительских свойств, а именно: в обеспечении получения более достоверного информационного сигнала при минимизации воздействия колебаний значительных присоединенных масс (трубопроводов).
Требуемый технический результат достигается тем, что в заявляемом зондовом вихревом датчике расхода, согласно прототипу, содержащем вычислительный блок, размещенный на верхнем конце первой полой штанги, узел герметизации в составе фланца с опорой, снизу скрепленной сварным швом с трубопроводом, преобразователь расхода, нижняя часть первой полой штанги скреплена сварным швом между верхней поверхностью фланца и торцевой поверхностью раструба воронкообразного конуса и резьбовым соединением между внешней поверхностью нижней части первой полой штанги и внутренней поверхностью цилиндрической части воронкообразного конуса, а в верхнюю часть преобразователя расхода жестко встроен нижний конец дополнительной полой штанги, верхний конец которой по внешней поверхности соосно соединен сварным швом с нижней внутренней поверхностью цилиндрической втулки (с двумя уплотнительными кольцами), помещенной в цилиндрической полости фланца, причем, верхний конец дополнительной полой штанги по внутренней поверхности соединен сварным швом с нижней частью полой фигурной стяжки, верхняя торцевая поверхность которой снабжена прокладкой, а цилиндрический верх фигурной стяжки зафиксирован конусной разрезной шайбой в отверстии фланца и стянут гайкой.
Зондовый вихревой датчик расхода (смотри фигуру) содержит вычислительный блок 1, размещенный на верхнем конце полой штанги 2, узел герметизации в составе фланца 3 с опорой 4, снизу скрепленной сварным швом 5 с трубопроводом 6, преобразователь расхода 7 тем, воронкообразный конус 8, внутренняя поверхность цилиндрической части 9 которого сопряжена резьбовым соединением 10 с нижней частью первой полой штанги, а торцевая поверхность раструба воронкообразного конуса 8 скреплена сварным швом 11 с верхней поверхностью фланца, цилиндрическую втулку 12 (с двумя уплотнительными кольцами 13), помещенную в цилиндрическую полость 14 фланца, полую фигурную стяжку 15, вторую полую штангу 16, низ которой жестко встроен в верхнюю часть преобразователя расхода 7, а верхняя часть второй полой штанги соосно встроена с минимальным зазором в полость цилиндрической втулки 12 и скреплена с ней по ее торцу (втулки) сварочным швом 17, а торцевая поверхность второй полой штанги скреплена сварным швом 18 с нижней частью полой фигурной стяжки, верхняя торцевая поверхность которой снабжена прокладкой 19, а цилиндрический верх 20 фигурной стяжки зафиксирован конусной разрезной шайбой в отверстии фланца и стянут гайкой 22.
Работает зондовый вихревой датчик расхода следующим образом. При обтекании потоком измеряемой среды с обеих сторон тела обтекания (на рисунке не показано) попеременно возникают срывающиеся вихри, представляющиеся собой так называемую «вихревую дорожку» Кармана. Пульсации давления в «дорожке» Кармана воспринимаются пьезочувствительными элементами (на рисунке не показаны), преобразуются каждым из них в электрические сигналы, которые далее поступают на обработку и вычисление расхода в вычислительный блок 1, после чего информация представляется пользователю в виде соответствующего показания в стандартных единицах измерения расхода.
Рассмотрим данную конструкцию с точки зрения изоляции влияния на результат измерения механических воздействий, возбуждаемых внешними источниками колебаний, а именно, колебаниями значительных присоединенных масс - трубопроводов.
В предлагаемой конструкции зондового вихревого датчика расхода можно выделить две связанные колебательные системы.
Первая колебательная система представляет собой следующую цепочку звеньев: трубопровод 6, опора 4, фланец 3, воронкообразный конус 8, первая полая штанга 2, вычислительный блок 1.
Цепочка звеньев второй колебательной системы выглядит следующим образом: преобразователь расхода 7, вторая полая штанга 16, цилиндрическая втулка 12, фигурная стяжка 15.
Конструктивно рассмотренные колебательные системы имеют один общий элемент связи, а именно, фигурную стяжку 15, которая конструктивно (механически) скреплена с первой колебательной системой с помощью конусной разрезной шайбы 21.
Компьютерное моделирование связанных первой и второй колебательных систем позволили определить их собственные (нормальные) частоты [5, 6], которые оказались соответственно равными 350 и 70 герцам.
Известно, что [7]:
,
0
где: ω, с, m - соответственно, собственная (нормальная) частота, жесткость и масса колебательной системы.
0
Для нашего случая, жесткость с первой колебательной системы и масса m первой и второй колебательных систем априори заданы и неизменны. Жесткость второй колебательной системы определяется конструктивными параметрами (размерами) фигурной стяжки 15, и именно жесткость с фигурной стяжки, на которую мы можем влиять (конструктивно), определяет собственную частоту ω второй колебательной системы. Таким образом, фигурная стяжка 15 служит виброизолятором между двумя колебательными системами с разнесенными (различными) собственными частотами, или, переходя на электрический аналог колебательных систем, фигурная стяжка 15 выполняет функцию фильтра низких частот, гася высокие частоты внешних источников колебаний.
А если учесть, что диапазон измеряемых частот полезного сигнала лежит в пределах 60…2500 герц, то гарантированно можно утверждать, что в предлагаемой конструкции зондового вихревого датчика расхода степень влияния первой колебательной системы на возбуждение второй колебательной системы, в конечном счете, на колебания преобразователя расхода 7, сведена к минимуму.
Физический смысл (для связанных механических колебательных систем) эффективного действия фигурной стяжки 15 состоит в следующем [5, 6]. Две связанные механические колебательные системы характеризуются степенью связи, которая при равенстве их собственных (нормальных) частот равна единице. При разнесенных частотах первой и второй колебательных систем степень связи уменьшается и соответственно обмен энергией между системами становится незначительным, что и было подтверждено на практике.
В предлагаемой конструкции зондового вихревого датчика расхода (смотри фигуру) сварные швы 17 и 18 являются демпферами продольных акустических колебаний, что также было подтверждено практически.
Совокупность существенных признаков (в том числе и отличительных) заявляемого зондового вихревого датчика расхода обеспечивает достижение требуемого технического результата, соответствует критериям «полезной модели» и подлежит защите охранным документом (патентом) РФ в соответствии с просьбой заявителя.
Источники информации, принятые во внимание при оформлении настоящей заявки:
1. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. - Л.:
Машиностроение, 1989. - 701 с. (стр.367);
2. ТУ 39-0148346-001-92 «Счетчики газа вихревые СВГ. Технические условия» (Приложение Б) СВГ (№13489-00 в Госреестре средств измерений РФ);
3. Золотаревский С. О применимости различных методов измерения расхода для коммерческого учета газа// Газ. Специализированный журнал - 2006, №3 (стр.14);
4. RU 82320 U1, 09.12.2008, (прототип);
5. Кухлинг X. Справочник по физике: Пер. с нем.. - М.: Мир, 1982. - 520 с., ил., (стр.238);
6. Мигулин В.В., Медведев В.И., Мустель Е.Р., Парыгин В.Н.Основы теории колебаний. Под ред. В.В. Мигулина. - М.: Наука, 1978, (стр.244...253);
7. Вибрации в технике: Справочник: В 6-ти т. Т.6. 2-е изд., испр. и доп. - М.: Машиностроение, 1995. Защита от вибрации и ударов. - 456 с., (стр.176).