Расходомер для низконапорных трубопроводов

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения расхода жидкостей и газов.
Для выявления расходов жидкостей и газов используют ряд способов и устройств. Известен ультразвуковой расходомер (патент RU 1203367 МПК G01F 1/00, опубл. 24.03.2013). В расходомере (патент RU 2190192 МПК G01F 9/00, опубл. 24.03.2013) использован меточный способ. Используют эластичные элементы (патент RU 1779941 МПК G01F 3/20, опубл. 22.03.2013). В известных расходомерах используется аналоговое преобразование, что ограничивает помехозащищенность и снижает достоверность результата измерения.
Достаточно полно отражены варианты построения расходомеров в монографии - Кремлевский П.П. «Расходомеры и счетчики количества» - Л.: Машиностроение, 1989. - 701 с. На практике получили распространение простые и высоконадежные первичные измерительные преобразователи расхода в виде стандартных диафрагм и сопел. При их применении определяют величину расхода через измерение разности давлений до и после первичного измерительного преобразователя расхода.
Широко распространенным первичным преобразователем давления является мембрана - см. патенты RU 2377515 опубл. 27.12.2009; RU 2280242 опубл. 20.07.2006; RU 2329479 опубл. 20.07.2008; RU 2345341 опубл. 27.01.2009. Для мембранных преобразователей характерна сравнительно низкая чувствительность, т.е. заданному приращению давления соответствует малое смещение жесткого центра мембраны. Также следует иметь в виду, что абсолютная погрешность разности равна сумме абсолютных погрешностей уменьшаемого и вычитаемого. Эти обстоятельства снижают достоверность измерения расхода.
Наиболее близким по основным техническим решениям к предлагаемому расходомеру для низконапорных трубопроводов является расходомер по патенту RU 2362123 С2 МПК G01F 1/20, G01F 1/34, G01 N 9/22, опубл. 20.07.2009, который выбран в качестве прототипа.
Устройство прототипа можно разделить на два функциональных блока - измерительный трубопровод и преобразователь перепада давления в выходной сигнал. Воспользуемся нумерацией позиций прототипа. Измерительный трубопровод составляют входное сопло 2, первичный преобразователь расхода в виде сопла 3 и выходной патрубок 30. Преобразователь перепада давления в выходной сигнал устроен следующим образом. В корпусе прибора выполнены два объема 13, 14, разделенные мембраной 8. Выходное давление поступает в объем 13 через отверстие 5 корпуса. Давление в объемах 13, 14 сравнивается со входным давлением, поступающим по каналам 17, 18, 19, 20, на мембранах 21, 22 и преобразуется дифференциально-трансформаторными датчиками перемещения 24, 25 в выходной сигнал. Таким образом, в этом расходомере (как и в отмеченных выше аналогах) используется аналоговый принцип преобразования, который снижает достоверность результата измерения расхода за счет ограниченных точности и помехоустойчивости. Приведенная в рассматриваемом патенте схема реализуется в сложную конструкцию с большим количеством элементов.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение достоверности результата измерения расхода при достаточно простой конструкции.
Решаются задачи:
1. Разработка основных технических решений, позволяющих получить:
- достоверный результат измерения расхода в условиях малых давлений в зоне первичного измерительного преобразования расхода;
- высокую помехозащищенность при необходимой точности за счет дискретного метода преобразования информации;
- конструкцию с высокими эксплуатационными свойствами на основе простых высокотехнологичных деталей.
2. Конструкция расходомера должна служить основой для создания гаммы приборов для измерения расхода различных сред и диапазонов измерения за счет сменных первичных преобразователей расхода.
Указанный выше технический результат достигается тем, что в расходомере для низконапорных трубопроводов, содержащем корпус с измерительным трубопроводом, в котором установлен первичный преобразователь расхода, обеспечивающий перепад давления измеряемой среды, и преобразователь указанного перепада давления в выходной сигнал, преобразователь перепада давления в выходной сигнал выполнен на основе автоколебательной системы баланс - растяжка с магнитоэлектрическим приводом со связанным с ней двумя дуплексированными сильфонами, воспринимающими составляющие перепада давления измеряемой среды, на донных участках которых закреплены ограничители угла поворота растяжки, при этом дуплексированные сильфоны установлены так, что направления движения их донных частей вдоль по растяжке под действием составляющих перепада давления измеряемой среды одинаково. Указанный результат достигается также тем, что каждый дуплексированный сильфон выполнен идентично в виде двух расположенных соосно сильфонных оболочек, соединенных по торцам донной и входной втулками с образованием открытого объема внутри внутренней сильфонной оболочки и замкнутого кольцевого объема, ограниченного внутренней и внешней сильфонными оболочками, при этом входная втулка снабжена группой сквозных отверстий, сообщающих внутренний кольцевой объем с измерительным трубопроводом.
Технические решения по созданию расходомера для низконапорных магистралей поясняются чертежами:
Фиг. 1 - общий вид;
Фи г. 2 - разрез фрагмента I по фиг. 1;
Фиг. 3  -вид А по фиг. I;
Фиг. 4 - разрез фрагмента II по фиг. 1;
Фиг. 5 - разрез Б-Б по фиг. 2;
Фиг. 6 - вид В по фиг. 2.
Принятые обозначения
1 - основание 2,3 - штуцеры
4, 5 - участки измерительного трубопровода
6 - стяжки
7 - преобразователь расхода
8 - нижняя часть штуцера
9 - верхняя часть штуцера
10 - гайка штуцера
11 - растяжка
12 - баланс
13 - кронштейн неподвижного конца растяжки
14 - накладка
15 - винты
16 - кронштейн натяжения
17 - ползун
18 - винт ползуна
19 - винты
20 - накладка
21, 22 - винты крепления кронштейнов растяжки
23 - электрическая катушка.
24 - кронштейн электрической катушки
25 - электрический разъем
26, 27 - дуплексированные сильфоны
28, 29 - кронштейны дуплексированных сильфонов
30 - внешняя сильфонная оболочка
31 - внутренняя сильфонная оболочка
32 - донная втулка
33 - винты ограничителя
34 - ограничитель угла поворота растяжки
35 - входная втулка
36 - сквозные отверстия входной втулки
37 - винты крепежа входной втулки
38 - входное отверстие кронштейнов
39 - кольцевой канал
40 - отверстие кронштейна, соосное штуцеру
41 - ограничитель угла поворота растяжки
42 - защитный кожух.
Конструктивно расходомер выполнен из двух блоков - измерительного блока, который монтируется на магистрали, и электронного блока, предназначенного для обработки первичной информации и индикации результата измерения. Эти блоки соединены электрическим кабелем.
Монтажной основой измерительного блока служит основание (корпус) 1 в виде пластины прямоугольной формы, которое имеет продольный паз (см. фиг. 3) для базирования элементов конструкции. Снизу к основанию (здесь и далее ориентация чертежа) с помощью двух штуцеров 2, 3 крепится измерительный трубопровод, составленный из двух участков 4,5, каждый из которых представляет отрезок трубы с крепежными фланцами по торцам. На стыке участков с помощью стяжек 6 закреплен преобразователь расхода 7, создающий перепад давления. Выбор преобразователя расхода определяется типом перекачиваемой среды и диапазоном измерения, например, в виде стандартной диафрагмы.
4
5
Штуцеры выполнены однотипно из двух частей. Нижняя часть 8 сваркой присоединена к соответствующему участку измерительного трубопровода, а верхняя 9, с помощью резьбы - к основанию блока. Сопряжение частей штуцера осуществляется по конической поверхности с применением гайки 10. Заметим, что направление течения измеряемой среды в измерительном трубопроводе определяется типом преобразователя расхода. Для симметричных преобразователей (например, стандартной диафрагмы) направление произвольное. В случае несимметричного преобразователя (например, сопла) направление течения определяется типом преобразователя расхода. Примем для определенности, что входным участком измерительного трубопровода является участок 4. Выходными параметрами измерительного трубопровода являются давления Р и Р.
4
5
Расход измеряемой среды измеряется перепадом давления ΔР=Р-Р (Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества - Л.: Машиностроение, 1989 - формулы (8), (9) - с. 15). На верхней поверхности смонтирован преобразователь перепада давления ΔР в частотный электрический сигнал. Частотный сигнал схемотехнически просто квантуется и обеспечивает высокую точность и помехоустойчивость преобразования. В основе преобразователя перепада давления лежит автоколебательная система баланс-растяжка. Подобные системы освоены промышленностью (Шарыгин Л.Н., Сорокин А.А. Автоколебательные системы в средствах измерения и контроля - Владимир: Атлас, 2016. - 205 с. ISBN 978-5-003087-53-2). Колебательное звено представлено растяжкой 11 в виде плоской упругой ленты и балансом 12. Растяжка закреплена по концам тисковым методом. Один конец растяжки закреплен в кронштейне 13 с применением накладки 14 и винтов 15. Базирование реализуется пазом на посадочной плоскости кронштейна. Второй конец растяжки (фиг. 4) закреплен в кронштейне 16 с возможностью регулирования натяжения. Имеется ползун 17 перемещаемый винтом 18. Растяжка закреплена винтами 19 через накладку 20. Для базирования в продолжении плоскости защемления в ползуне предусмотрено отверстие. Кронштейны 13, 16 закреплены на основании винтами 21, 22 соответственно.
Баланс выполнен обычным образом. По торцам магнитопроводной втулки развальцовкой закреплены плоские магнитопроводы, на нижних концах которых установлены постоянные магниты осевой намагниченности с образованием магнитного зазора. На противоположных концах магнитопроводов закреплены латунные противовесы. Баланс крепится на растяжке с помощью конических полуштифтов. В магнитном зазоре баланса установлена бескаркасная бифилярная (намотанная в два провода) катушка 23, которая закреплена на электроизоляционном кронштейне 24 с помощью накладки. Выводы катушки подключены к электрическому разъему 25, а через него к схеме формирования импульсов привода (СФИП) электронного блока. СФИП может быть выполнена на одном транзисторе (см. цитируемую выше кн. ISBN 978-903087-53-2 рис. 4.9 с. 137).
При подключении электропитания к СФИП баланс будет совершать колебания на частоте
12
где J - момент инерции баланса 12;
- жесткость растяжки на кручение;
здесь G, h, b, l, F - соответственно модуль упругости материала, толщина и ширина сечения, рабочая длина растяжки, сила натяжения.
Характерный для системы баланс - растяжка диапазон частот - десятки Герц.
Принцип работы преобразователя перепада давления в частотный электрический сигнал заключается в том, что перепад давления изменяет рабочую длину растяжки, соответственно частоту автоколебаний (1). Для реализации этого принципа в устройстве предусмотрены два одинаковых дуплексированных сильфона 26, 27, закрепленных на кронштейнах 28, 29. Устройство рассматриваемых сборочных единиц удобно рассмотреть по фиг. 2. Дуплексированный сильфон представляет собой сборку внешней 30 и внутренней 31 сильфонных оболочек, двух торцовых достаточно тонких втулок одинаковых по внешнему контуру и имеющих базирующие цилиндрические поверхности. Донная втулка 32 имеет группу резьбовых отверстий для крепления винтами 33 ограничителя 34 угла поворота растяжки. Входная втулка 35 снабжена группой сквозных отверстий 36 и группой резьбовых отверстий под крепежные винты 37. Неподвижное и герметичное соединение втулок 32, 35 с сильфонными оболочками 30, 31 реализуется пайкой твердым припоем или электронно-лучевой сваркой. В результате образуются открытый объем внутри внутренней сильфонной оболочки и закрытый кольцевой объем в межоболочном пространстве. Несущий кронштейн имеет осевое по отношению к внутреннему объему сквозное отверстие 38, глухой кольцевой канал 39, который сообщается со штуцером отверстием 40.
4
32
Если в измерительной магистрали (в этом частном рассмотрении ее части 4) появится давление Р измеряемой среды, то это давление через отверстие 40, кольцевой канал 39 отверстие 36 входной втулки будет поступать в замкнутый объем дуплексированного сильфона. Появится сила F, приложенная к данной втулке
32
где S - кольцевая площадь донной втулки.
34
Эта сила обеспечит совместное перемещение l донной втулки и ограничителя 34
26
где D - осевая жесткость дуплексированного сильфона.
Для сильфонов, как преобразователей давления в перемещение, характерна низкая осевая жесткость по отношению к другим преобразователям этого назначения, например, мембранам. Поэтому чувствительность преобразования давления в перемещение на основе сульфона окажется высокой, что способствует повышению точности преобразования и, в конечном счете, достоверности результата измерения расхода.
5
41
4
5
Аналогичная ситуация будет на втором дуплексированном сильфоне 27. При появлении давления Р на участке 5 измерительного трубопровода ограничитель 41 получит перемещение l. При равенстве давлений Р и Р перемещения ограничителей будут равны.
34
41
При расчете величин перемещения l и l ограничителей учтено следующее. Перемещение ограничителя возможно только при наличии зазора между растяжкой и щелью ограничителя - их относительное положение см. на фиг. 6. Величина зазора должна быть согласована с амплетудой колебаний баланса 12, а именно: угол поворота сечения растяжки в щели ограничителя должен быть на порядок меньше амплитуды колебаний баланса. В процессе колебаний растяжка дважды за период своей кромкой касается щели ограничителя, при этом возникает трение, но в положении равновесия баланса этого касания нет, соответственно нет и трения. Таким образом, так называемая зона застоя при перемещении ограничителя отсутствует. Для снижения потерь энергии на внутреннее трение в качестве материала для сульфонов 30, 31 следует выбирать материал с узкой петлей механического гистерезиса, например, бериллиевую бронзу.
После окончательной сборки преобразователя перепада давления в электрический сигнал устанавливается защитный кожух 42.
4
5
4
34
5
41
Работает предлагаемый расходомер следующим образом. Крайними фланцами измерительного трубопровода (участки 4, 5) монтируют расходомер на исследуемой магистрали. При прохождении измеряемой среды по измерительному трубопроводу за счет наличия преобразователя расхода 7 возникают давления Р и Р соответственно на участках 4, 5 измерительного трубопровода. Давление Р через штуцер 2 отверстие 40, кольцевой канал 39 кронштейна 28 и отверстия 36 входной втулки 35 поступает в замкнутый объем дуплексированного сильфона 26, что приводит к смещению l ограничителя 34. Аналогично за счет давления Р на участке 5 измерительного трубопровода появляется смещение l дуплексированного сильфона 27.
0
Обозначим исходную рабочую длину растяжки 11 l - это расстояние между ограничителями 34 и 41. При наличии расхода измеряемой среды текущее значение рабочей длины 1 растяжки составит
т.е. изменение рабочей длины растяжки в соответствии с формулами (3), (4) пропорционально перепаду давления в измерительном трубопроводе расходомера. Изменение рабочей длины 1 растяжки приведет в соответствии с формулой (1) к изменению частоты автоколебаний системы баланс-растяжка, т.е. изменению следования импульсов СФИП.
Электронный блок расходомера производит вычисление и индикацию величины расхода измеряемой среды в соответствии с формулой (1) и передаточной функцией примененного преобразователя расхода 7.
Таким образом, предлагаемый расходомер для низконапорных трубопроводов имеет широкие эксплуатационные возможности за счет использования сменных первичных измерительных преобразователей расхода. Дискретный принцип преобразования первичной информации обеспечивает высокую помехозащищенность и достоверность результата измерения. Этому свойству способствует высокая чувствительность преобразования перепада давления с помощью дуплексированных сильфонов малой осевой жесткости. Конструкция расходомера реализуется на простых и высокотехнологичных деталях.