Зонд для расходомера

Настоящая полезная модель относится к расходомерам для определения расхода жидкости, газа или пара в трубопроводе, а именно к зонду для расходомера с осредняющей напорной трубкой Пито (ОНТ).
Из уровня техники известен расходомер с трубкой Пито для измерения перепада давлений (патент US 4154100 опубл. 15.05.1979, G01F 1/46), имеющий зонд, вставляемый в поток текучей среды, протекающей внутри трубопровода, причем зонд включает в себя обращенную вверх по потоку поверхность, о которую ударяется текучая среда, и обращенную вниз по потоку поверхность, содержащую порт, обращенный вниз по потоку, для определения составляющей низкого давления измеряемого перепада давления, отличающийся тем, что включает пару острых кромок, расположенных разнесенными в поперечном направлении на противоположных сторонах зонда между поверхностями, обращенными вверх и вниз по течению, причем поверхность, обращенная вверх по течению, имеет форму, позволяющую разделить поток и направить по существу равные его части вдоль указанных острых кромок, а поверхность, обращенная вниз по течению, имеет форму, позволяющую непрерывно находиться в зоне следа текучей среды, протекающей мимо острых кромок в заданном диапазоне условий потока.
Согласно вышеупомянутому патенту тело обтекания зонда в различных конфигурациях имеет острые кромки по краям поверхности выше по потоку, что обеспечивает стабильную точку отрыва потока от поверхности в широком диапазоне скоростей потока.
Недостатком расходомера с трубкой Пито по патенту US 4154100 является низкая точность при высоком уровне сигнала из-за появления, при обтекании зонда данной формы, колебаний дифференциального давления большой амплитуды.
Из уровня техники также известна система измерения потока на основе дифференциального давления (патент на изобретение RU №2638916 опубл. 18.12.2017, МПК G01F 1/37, G01F 1/46), содержащая в том числе удлиненный зонд, связанный с датчиком давления, выполненный с возможностью вставки в трубопровод, который переносит поток технологической текучей среды, и имеющий поперечное сечение в форме «Т» с расположенной выше по течению частью на верху «Т» и в целом перпендикулярно потоку и с задней частью, которая проходит в направлении в целом параллельно потоку; расположенную выше по течению камеру повышенного давления в расположенной выше по течению части зонда, имеющую по меньшей мере одно расположенное выше по течению отверстие, связанное с датчиком давления, для приложения, тем самым, давления сверху по течению к датчику давления; стабилизатор завихрений, расположенный вблизи удлиненного зонда и в потоке технологической текучей среды, выполненный с возможностью стабилизации завихрений вблизи удлиненного зонда, и измерительную схему, связанную с датчиком дифференциального давления.
Вышеописанная система измерения потока на основе дифференциального давления является по факту расходомером для измерения расхода технологических текучих сред - жидкостей, паров, газов. Недостатком системы измерения потока на основе дифференциального давления является усложненная конструкция зонда за счет применения многочисленных стабилизаторов завихрений в виде плоских пластин, применяемых для стабилизации колебаний вблизи зонда и повышения точности измерения потока.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по достигаемому техническому результату и технической сущности (прототипом) является изобретение «Зонд для измерения перепада давления с понижением шума» (патент US 6470755 G01L 7/00, опубликован 29.10.2002), приспособленный для диаметрального размещения в трубопроводе для жидкости, содержащий корпус, имеющий ударную поверхность, обращенную вверх по потоку, и, по меньшей мере, одну нижнюю по потоку неударную поверхность, причем обращенная вверх по потоку ударная поверхность является по существу плоской и адаптированной для расположения перпендикулярно направлению потока текучей среды в канале, содержащий по меньшей мере, одну камеру для передачи давления текучей среды внутри корпуса и по меньшей мере одно отверстие в плоской обращенной вверх по потоку ударной поверхности корпуса, устанавливая гидравлическое сообщение между текучей средой в канале и по меньшей мере, одну камеру статического давления для передачи давления, в результате чего плоская обращенная вверх по потоку ударная поверхность корпуса зонда создает относительно неподвижную зону торможения перед зондом.
Недостатком данного зонда по патенту US 6470755 является наличие колебаний дифференциального давления, обусловленных вихрями и вторичными течениями, оказывающих влияние на конечную точность измеряемого перепада давления.
Технический результат настоящей полезной модели заключается в повышении точности измерений при сохранении уровня перепада дифференциального давления за счет применения новой формы профиля зонда.
Технический результат полезной модели достигается за счет того, что зонд для расходомера, содержащий корпус 9, профиль зонда 6, предназначенный для диаметрального размещения в трубопроводе, имеющий ударную поверхность 15, обращенную вверх по потоку, и неударные поверхности 16 нижние по потоку, отличающийся выполнением D-образной формой профиля зонда, имеющего каналы высокого 13 и низкого 14 давлений, герметично изолированные друг от друга; причем перпендикулярное сечение ударной поверхности зонда 15, расположенной выше по потоку, представляет собой кривую, полученную сопряжением трех окружностей различного радиуса, неударные поверхности 16 профиля зонда, расположенные ниже по потоку, являются плоскими, перпендикулярными задней поверхности 17 профиля зонда 6; при этом ударная поверхность 15 профиля зонда 6, обращенная вверх по потоку, имеет по меньшей мере одно отверстие 10; нижние по потоку неударные поверхности 16 имеют по меньшей мере одно отверстие 11.
Кроме того, зонд для расходомера характеризуется тем, что отверстия на неударных поверхностях 16 могут занимать любое положение на неударных поверхностях 16 вдоль направления движения текучей среды напротив друг друга.
Кроме того, зонд для расходомера характеризуется тем, что расстояние В между неударными поверхностями 16 может быть любым, меньше ширины Η ударной поверхности 15.
Кроме того, зонд для расходомера характеризуется тем, что в канале низкого давления 14 находится термопреобразователь сопротивления 5. Заявляемая полезная модель иллюстрируется чертежами.
Фиг. 1 - общий вид зонда для расходомера (продольный разрез).
Фиг. 2 - общий вид расходомера с зондом.
Фиг. 3 - разрез А-А профиля зонда для расходомера.
Фиг. 4 - общий вид D-образного профиля зонда для расходомера.
Фиг. 5 - колебания показаний дифференциального давления по результатам расчета в программном комплексе конечно-элементного анализа ANSYS Fluent.
Заявляемый зонд для расходомера, представленный на фиг. 1, состоит из D-образного профиля зонда 6, разделителя 1, камеры высокого давления 8, преобразователя термосопротивления 5, корпуса 9, крепежного элемента 4 и заглушки 12. Оптимальность данной D-образной формы профиля зонда определена проведенной параметрической многокритериальной оптимизацией в конечно-элементном комплексе ANSYS Fluent. Длина профиля зонда 6 может меняться в зависимости от типоразмера. Также в профиле зонда выполнено определенное, для данного типоразмера, количество отверстий 10, 11, предназначенных для передачи повышенного и пониженного давлений в соответствующие каналы высокого 13 и низкого 14 давлений (фиг. 3).
Пример реализации расходомера с зондом представлен на фиг. 2. Расходомер состоит из зонда для расходомера, клапанного блока 2, блока обработки информации 3, крепежного элемента 4 расходомера, преобразователя термосопротивления 5. Зонд имеет профиль 6 D-образной формы, причем округлая часть профиля является ударной поверхностью и позиционируется, при установке расходомера в трубе, навстречу движению потока жидкости или газа.
Сечение профиля зонда представлено на фиг. 3. D-образный профиль зонда имеет внутри два герметичных канала 13 и 14 для передачи высокого и низкого давления соответственно. На передней ударной поверхности 15 D-образного профиля расположено по меньшей мере одно отверстие 10, которое может быть выполнено в любой возможной конфигурации, на боковых неударных поверхностях 16 имеются по меньшей мере одно отверстие 11. Преобразователь термосопротивления 5 расположен в средней части канала низкого давления 14 для точного измерения температуры текучей среды.
Фиг. 4 иллюстрирует пример расположения отверстий 10 D-образного профиля зонда на ударной поверхности 15, обращенной вверх по потоку, и отверстий 11 на неударной поверхности 16. Данные отверстия предназначены для передачи повышенного и пониженного давлений в соответствующие каналы высокого 13 и низкого 14 давлений. Приведенное на фиг. 4 расположение отверстий в каналах высокого 13 и низкого 14 давлений является лишь одним частным вариантом осуществления настоящей полезной модели. Настоящая полезная модель не ограничена проиллюстрированным и вышеописанным осуществлением.
На Фиг. 5 изображены графики колебаний дифференциального давления для прототипа 18 и зонда по настоящей полезной модели 19, полученные при расчете в программном комплексе конечно-элементного анализа ANSYS Fluent.
1
2
1
2
Расходомер на базе заявляемого зонда работает следующим образом. При набегании потока текучей среды на ударную поверхность 15 профиля зонда 6 поток обтекает профиль зонда 6 вдоль ударной поверхности 15 и после отрывается от нее вблизи краев, образовывая вихри. При этом перед ударной поверхностью 15 появляется область застойного давления набегающего потока, в которой давление p превосходит статическое давление в трубопроводе, а вблизи неударных поверхностей в следе вихря образовывается зона пониженного давления, где давление р меньше статического давления в трубопроводе. Давления p и р через отверстия 10, 11 в поверхностях передаются в каналы высокого 13 и низкого 14 давлений. При этом за счет многочисленных отверстий, распределенных вдоль диаметра трубопровода, давления в каналах высокого 13 и низкого 14 давлений усредняются, тем самым повышая точность измерения. Давления по каналам 13,14 зонда через разделитель 1 и клапанный блок 2 расходомера (фиг. 2) передаются к блоку обработки информации 3, в котором определяется разность этих давлений и по этой разнице вычисляется объемный и массовый расход, скомпенсированный по температуре по значению, получаемого от преобразователя термосопротивления 5 (фиг. 1, фиг. 2).
Таким образом, зонд по настоящему техническому решению имеет отличную от аналогов форму профиля, отличающуюся по характеристикам и характеру обтекания текучей средой от прототипа. Параметрическая оптимизация формы профиля в программном комплексе конечно-элементного анализа ANSYS Fluent с точки зрения характера обтекания показала, что D-образная форма профиля с передней ударной поверхностью 15, выполненной сопряжением трех окружностей, является оптимальной при выдерживании соотношений (фиг.4):
Данное соотношении размеров профиля зонда 6 обеспечивает минимальную амплитуду колебаний дифференциального давления в широком диапазоне скоростей потока, что обеспечивает высокую по сравнению с прототипом повторяемость колебаний и отсутствие низкочастотной составляющей колебаний давления, и как следствие, приводит к повышению точности измерения дифференциального давления (фиг. 5).
Минимизация амплитуды колебаний объясняется тем, что при обтекании профиля зонда 6 D-образной формы текучей средой поток отрывается от краев передней ударной поверхности 15, образовывая вихри более низкой по сравнению с прототипом интенсивностью низкочастотных колебаний. Данная форма профиля зонда 6 обеспечивает согласованность образовываемых при обтекании текучей средой вихрей вдоль диаметрального направления, что минимизирует наличие случайных вторичных течений, которые вносят погрешность в показания измеряемого дифференциального давления. Требуемый перепад давления достигается за счет расположения отверстий 11 на неударных поверхностях 16 в стабильной зоне пониженного давления, образуемой следом вихря.