СЧЕТЧИК ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
FLUID METER

Изобретение относится к счетчикам, предназначенным для измерения расхода протекающей через их внутреннюю полость рабочей среды (газов, жидкостей) согласно п. 1 формулы изобретения.
Существуют различные принципы и технические решения, реализующие измерение количества среды, проходящей через измерительный прибор (средство измерения).
Одним из известных современных решений предшествующего уровня изобретений являются счетчики, работа которых основана исключительно на объемных принципах (патенты DE 20 2014 007 095 U1, ЕР 1 909 076 А1, ЕР 2 375 224 А1, US 4 715 234 А, US 8 776 613 В2 и WO 2012 152 560 A1).
К счетчикам, работающим на указанных объемных принципах, относятся механические турбинные счетчики и расходомеры ротационного типа. Преимуществом механических счетчиков является их устойчивость к возмущениям и искажениям потока измеряемой среды, протекающей через них, а также невосприимчивость к изменению направления потока. Основным недостатком механического способа измерения этих счетчиков является наличие движущихся частей, что делает их чувствительными к загрязнениям и склонными к износу деталей, расположенных непосредственно в потоке. Кроме того, диагностические возможности механических счетчиков не могут быть реализованы в таком объеме, как у электронных, что не обеспечивает необходимый оперативный контроль их метрологических и технических характеристик.
В качестве альтернативы механическим (турбинным и роторным) расходомерам-счетчикам могут быть ультразвуковые, работа которых основана на сканировании ультразвуковыми импульсами скорости потока. Ультразвуковые счетчики не имеют механически движущихся частей и деталей. Недостатком ультразвуковых счетчиков является их значительная чувствительность к искажению потока. По этой причине для достижения более высокой точности необходимо применять выпрямители потока или длинные прямые впускные тракты, требующие большие измерительные пространства, что не всегда возможно.
К общим недостаткам приборов, работающих на объемном принципе, следует также отнести подверженность измерений расхода среды ошибкам аппроксимации, возникающим от колебаний давления и температуры, что вызывает необходимость использовать дополнительные корректоры объема, предназначенные для компенсации давления и температуры, а также требует использования соответствующих датчиков давления и температуры.
Помимо этого, как отмечалось выше, с целью повышения точности измерений указанным счетчикам требуются адаптеры - устройства, предназначенные для создания равномерного потока газа, с тем, чтобы изолировать и защитить датчики скорости потока от турбулентности (несимметричности), влияющей на точность измерения. Применение указанных адаптеров имеет существенные проблемы в случае бытовых счетчиков газа, имеющих небольшие сечения и чувствительных к падению давления из-за применения указанных адаптеров. Использование адаптеров вызывает серьезные проблемы и в случае применения их с промышленными счетчиками, у которых высокая скорость потока требует повышенной прочности адаптеров, чтобы выдерживать напряжения и помехи, вызванные потоком, подлежащим измерению. Это ограничение имеет место, главным образом, из-за высокой энергии потока Также, известные решения весьма чувствительны к помехам, вызываемым несимметричными сужениями, которые обычно возникают в клапанах трубопроводов, особенно, если они размещены в непосредственной близости от датчика - как правило, в непосредственной близости от впускного отверстия счетчика..
Одним из известных современных решений предшествующего уровня изобретений, в котором устранены вышеперечисленные недостатки, являются счетчики, состоящие из корпуса, в котором содержится один или множество датчиков массового расхода (патент EP 2 824 432 А2). Суммарный поток в таких счетчиках, по существу, разделяется на множество более мелких потоков, каждый из которых измеряется датчиком массового расхода соответствующего типоразмера. Это решение имеет весьма сложную конструкцию, а также является дорогостоящим из-за множества датчиков потока, необходимых для обеспечения измерения больших расходов и объемов газов, и таким образом, имеет ограничения для применения в качестве малых (бытовых) счетчиков. Вышеуказанное известное решение также имеет ограничение низкой «внутренней масштабируемости» датчиков, так как датчики потока должны быть спроектированы и изготовлены для каждого отдельного класса расходомера.
Перечисленные недостатки устранены в изобретениях, приведенные в патентах ЕР 2 146 189 A1, EP 2 824 428 A1, DE 10 2015 102 383 A1. Данные изобретения описывают расходомеры-счетчики, в которых поток измеряемой среды отклоняется от основного направление своего движения, проходит через внутреннюю камеру, отражается от одного из оснований камеры, меняет направление своего движения на противоположное и проходит через ультразвуковой преобразователь расхода. Благодаря такой конструкции поток измеряемой среды в расходомере становится более равномерным, а сам расходомер - нечувствительным к возмущениям потока в трубопроводе
Несмотря на указанные преимущества, такие технические решения имеют конструктивные недостатки - уменьшенную площадь поперечного сечения потока; искажения структуры потока, вызванные его отражением от поверхности одного из оснований камеры, увеличенную длину измерительных каналов для выравнивания и урегулирования потока; использование только одного (ультразвукового) метода измерений скорости потока; применение неразборной конструкции измерительной камеры.
Основной задачей настоящего изобретения является разработка такого устройства, которое обеспечивает преодоление вышеуказанных ограничений и проблем.
В частности, целью изобретения является создание компактного счетчика текучей среды с небольшими внешними размерами, который нечувствителен к помехам и искажениям потока жидкости и который может быть адаптирован в соответствии с задачей измерения.
Эта цель достигается в счетчике текучей среды с признаками п.1 формулы изобретения
Понятно, что изобретение реализуется в любом случае, если он представляет собой счетчик текучей среды, содержащий корпус с внутренней камерой. которая выполнена в виде цилиндра с равномерным закруглением одного из оснований. Закругленное основание имеет изогнутую внутрь часть и позволяет формировать поток текучей среды.
Кроме того, счетчик содержит датчик расхода, который находится внутри корпуса и используется для измерения скорости потока текучей среды.
Счетчик текучей среды имеет переходное устройство для согласования различных диаметров датчика расхода и выходного отверстия счетчика.
Кроме того, счетчик текучей среды содержит устройство подготовки потока, которое служит для разделения и стабилизации потока измеряемой среды.
Счетчик текучей среды имеет входной канал для направления потока текучей среды в камеру корпуса счетчика, выходной канал для вывода потока текучей среды из счетчика, электронный блок, фильтр грубой очистки, отсечной клапан и датчик обнаружения утечки среды.
Внутренняя камера на входе датчика расхода имеет форму воронки в виде колокола, что обеспечивает формирование потока на входе датчика расхода.
Переходное устройство является регулируемым, и механизм перехода адаптируется в соответствии с используемым размером датчика расхода.
Другие предпочтительные варианты раскрыты в пунктах формулы изобретения.
Преимуществом первого пункта формулы изобретения является конфигурация устройства счетчика с признаками пункта 2, в котором датчик расхода расположен в центре камеры вдоль ее цилиндрической оси. В этом случае внутренняя поверхность камеры и наружная поверхность датчика расхода образуют канал, при протекании через который измеряемая среда формируется в устойчивый однородный ламинарный поток.
Преимуществом пункта 2 является конфигурация счетчика с признаками пункта 3, в котором устройство перехода используется для согласования диаметра датчика расхода и выходного отверстия самого счетчика, и которое расположено в непосредственной близости от выходного отверстия, в результате чего счетчик имеет компактную форму,
Преимуществом пункта 3 является конфигурация устройства с признаками пункта 4, у которого внутренняя камера имеет в своей нижней части устройство подготовки потока в виде решетки. Это устройство делит втекающий поток текучей среды на множество отдельных потоков, проходящих через камеру. Таким образом, обе6спечивается формирование стабильного однородного потока.
В пункте 4 предпочтительного варианта с признаками пункта 5 приведен датчик обнаружения утечки текучей среды, который обеспечивает безопасность устройства путем обнаружения утечки среды из счетчика, срабатывания отсечного клапана и прекращения подачи рабочей среды в счетчик.
В пункте 5 предпочтительного варианта с признаками пункта 6 приведено описание корпуса счетчика, площадь поперечного сечения которого многократно (не менее чем в 10 раз) превышает площадь поперечного сечения впускного канала счетчика и впускного канала датчика расхода, что существенно уменьшает влияние внешних возмущающих факторов и обеспечивает высокоточные измерения.
Преимуществом пункта 6 предпочтительного варианта с признаками пункта 7 является конфигурация счетчика, позволяющая использовать датчик расхода любого принципа действия, что обеспечивает универсальность счетчика.
Изобретение более подробно поясняется ниже с использованием в качестве примера варианта осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Фиг. 1 - 4 иллюстрируют изобретение, в котором устранены недостатки изобретений предшествующего уровня техники - компактный счетчик текучей среды с конфигурацией формирования потока и датчиком расхода
На фиг.1 - 4 представлены:
- схематический трехмерный внешний вид счетчика с изображением его электронного блока, датчика обнаружения утечки газа, входного и выходного каналов (фиг. 1а), а также, направлением движения потока среды в счетчике;
- схематический вид в разрезе счетчика, выполненного в соответствии с настоящим изобретением (фиг. 1б);
- схематический вид (вид сверху) устройства подготовки потока, предназначенного для рассекания и стабилизации потока измеряемой среды (решетка, рассекатель) (фиг. 2),
- схематическое изображение в разрезе переходного устройства (фиг. 3);
- схематическое представление направления вращения подвижных частей счетчика (корпус, электронный блок) (фиг. 4).
Счетчик текучей среды с конфигурацией формирования потока и датчиком расхода для измерения скорости потока и расхода среды представляет собой устройство, включающее в себя следующие компоненты (фиг. 1а - 1б):
- цилиндрический корпус (1), имеющий внутреннюю камеру (2) и обтекатель (выступ) (3) с конфигурацией, обеспечивающей формирование потока;
- датчик расхода (4) с входным отверстием в форме воронки, расположенный внутри в центральной части корпуса (1) газового счетчика, и предназначенный для измерения скорости течения среды;
- переходное устройство (5) для согласования различных диаметров датчиков расхода и выходного отверстия счетчика;
- устройство подготовки потока (6), предназначенное для рассекания и стабилизации потока измеряемой среды;
- входной канал (7) потока измеряемой среды;
- выходной канал (8) для потока среды, вытекающей из счетчика;
- электронный блок (9);
- фильтр грубой очистки (10);
- отсечной клапан (11);
- датчик обнаружения утечки среды (12).
3
Фиг 1 иллюстрирует, как пример изобретения, стационарный счетчик с конфигурацией формирования потока и датчиком расхода для измерения скорости потока и расхода рабочей среды. Изобретение относится к области расходомеров-счетчиков, предназначенных для измерения потоков текучей среды, с методами измерения, основанными, как правило, на объемных принципах. Изобретение относится к счетчикам, применяемым не только для домашнего использования (например, типоразмеров G4 / G6), но и для обеспечения измерения высокой скорости потока, то есть, для промышленных измерительных счетчиков типоразмеров G10, G16, G25, G40, и так далее (где, например, типоразмер G25 обозначает скорости потока до 48 м/ч). Кроме того, изобретение относится к области счетчиков с дистанционным управлением функциональными возможностями, которые включают в себя электронные системы дистанционного управления, для которых необходимо применение датчиков давления и температуры и дополнительных корректоров объема с целью компенсации ошибок аппроксимации, возникающих от колебаний давления и температуры.
Работа счетчика выглядит следующим образом:
- измеряемая среда попадает во входной канал (7); проходит через фильтр грубой очистки (10), устройство подготовки потока (6) и рассекается на множество потоков;
- потоки распределяются по всему объему камеры (2), движутся вдоль центральной ее оси от одного основания к другому по пространству, образованному внутренней поверхностью стенок корпуса (1) и наружной поверхностью датчика расхода (4), обтекают внутренний выступ (3), повторяя его форму, и формируются на входе датчика расхода (4) в стабильный равномерный поток, что обеспечивает наиболее благоприятные условия для высокоточного измерения его скорости;
- поток сходится к воронкообразному входу датчика расхода (4), увеличивает скорость движения и, тем самым, снижает восприимчивость датчика расхода (4) к возмущениям и искажениям потока на входе счетчика;
- затем, поток проходит через внутреннюю полость датчика расхода (4) и через выходной канал (8) счетчика вытекает из него;
- датчик расхода (4) при протекании потока рабочей среды через его внутреннюю полость формирует сигнал, пропорциональный скорости потока;
- электронный блок (9) счетчика принимает этот сигнал, обрабатывает и формирует сигнал, пропорциональный объемному расходу рабочей среды.
Направление движения потоков жидкости в счетчике показано на фиг. 1а и 1b..
На фиг. 2 представлен схематический вид (вид сверху) устройства подготовки потока. Устройство подготовки потока (6) представляет собой решетку, расположенную в нижней цилиндрической части камеры (2) таким образом, чтобы измеряемая среда через входной канал (7) проходила через устройство подготовки потока (6) и попадала в камеру (2) корпуса (1) счетчика. Решетка устройства подготовки потока (6) представляет собой набор лопастей с количеством не менее 21 и такими размерами, чтобы ими перекрывалось не более 23% общей площади поперечного сечения камеры (2). Устройство подготовки потока (6) осуществляет рассекание потока измеряемой среды, обеспечивает условия создания равномерного стабильного потока, и тем самым, существенно уменьшает эффекты, вызванные высокой энергией турбулентного потока, на входе датчика расхода (4). Счетчики, работа которых основана на объемных принципах, подвержены ошибкам, возникающим вследствие искажений потока газа в трубопроводе из-за различных дестабилизирующих факторов, называемых местными сопротивлениями (кранов, вентилей, переключателей, изгибов трубопровода, сужений и расширений трубопровода, перепадов диаметра, гильз измерителей температуры и давления и т.д.). Применение устройства подготовки потока (6) совместно с описанной конфигурацией камеры (2) обеспечивает стабилизацию этого потока, выравнивание его эпюры скоростей, и тем самым, устраняет необходимость применения внешних устройств, предназначенных для создания невозмущенного потока газа (адаптеров) при любом, даже значительном, искажении и возмущении потока измеряемой среды на входе счетчика.
Датчик расхода (4), представляет собой измеритель (датчик, расходомерную трубку) объемного расхода или скорости потока любого принципа действия. Датчик размещается в центре цилиндрической камеры (2) корпуса (1) счетчика таким образом, что измеряемая среда по входному каналу (7) проходит через устройство подготовки потока (6), рассекается на множество потоков, далее проходит через камеру (2), обтекает выступ (3), объединяется в центре камеры (2) в единый равномерный стабильный поток, который проходит через датчик расхода (4) и через выходной канал (8) выходит из счетчика. В качестве датчика расхода (4) могут применяться любые известные измерители расхода или скорости потока объемного или массового принципа действия (турбинные, роторные, ультразвуковые, анемометрические и т.д.) с размерами, соответствующими размерам внутренней камеры (2) корпуса (1) счетчика. Поэтому нет необходимости дальнейшего описания этого датчика расхода (4). В любом случае, датчик расхода (4) обнаруживает данные, которые прямо или косвенно указывают на объем среды, проходящей по трубе и через счетчик. Эти данные датчик расхода (4) передает в электронный блок (9) счетчика для дальнейшей обработки и записи (запоминания).
Отличительной чертой счетчика является наличие в нижней внутренней части корпуса (после выходного отверстия датчика расхода) переходного устройства (5) для согласования диаметров датчика расхода (4) и выходного отверстия самого счетчика. Данное переходное устройство позволяет применять в счетчике датчики расходов различного диаметра в зависимости от требуемого диапазона измеряемых расходов. Схематическое изображение в разрезе переходного устройства приведено на фиг. 3.
Входной канал (7) потока среды представляет собой отверстие, канал, направляющий поток текучей среды в камеру (2) корпуса (1) счетчика.
Выходной канал (8) предназначен для вывода потока текучей среды, вытекающей из камеры (2) корпуса (1) счетчика.
Электронный блок (9) предназначен для обнаружения данных, передаваемых от датчика расхода (4), обработки, записи (запоминания) этих данных и результатов их обработки, электронного управления. Тип электронного блока (9) может изменяться в зависимости от потребностей в реализации, и существенного влияния на данное изобретение не оказывает. Электронный блок (9) соединен с датчиком расхода (4) посредством физической линии передачи данных (Термин «физическая линия передачи данных» здесь означает линию одного или нескольких твердых соединителей (таких как штекеры, провода) либо линию беспроводной связи (радио., Bluetooth и т.д. ). На фиг. 3а показан вариант осуществления изобретения, в котором электронный блок (9) размещен на внешней стороне корпуса (1) счетчика.
Фильтр грубой очистки (10) размещается на входе счетчика и предназначен для очистки измеряемой среды от примесей, которые могут засорить или повредить датчик расхода (4) или устройство подготовки потока (6).
Отсечной клапан (11) находится в входном канале (7) и обеспечивает перекрытие (отсечку) потока среды по сигналу, поступившему от электронного блока (9).
Датчик обнаружения утечки среды (12) предназначен для обеспечения обнаружения утечки среды из счетчика, срабатывания отсечного клапана (11) и прекращения подачи рабочей среды в счетчик. Данный датчик имеет важное значение для обеспечения безопасности эксплуатации счетчиков горючих сред, утечка которых может привести к аварии и серьезным последствиям.
Корпус (1) состоит из двух частей (фиг. 4):
- неподвижной части (основания), в которой находятся входной канал (7), выходной канал (8), устройство подготовки потока (6), фильтр грубой очистки (10), отсечной клапан (11), переходное устройство (5), датчик расхода (4);
- подвижной части в виде цилиндра (колпака) с закруглением в одном из оснований, который может вращаться вдоль своей центральной оси. На внешней подвижной части корпуса (1) может крепиться электронный блок (9), у которого лицевая часть также может вращаться вокруг своей центральной оси.
На фиг. 4 показано стрелками направление вращения подвижных частей корпуса и электронного блока.
Изобретение имеет следующие преимущества:
- наличие обтекателя (выступа) (3) в центральной части одного из оснований внутренней камеры (2) счетчика, благодаря определенной геометрической форме (форме колокола), обеспечивает сужение и формирование потока в центральной части камеры (2) на входе датчика расхода (4), а также, увеличение скорости его движения;
- наличие переходного устройства (5) позволяет применять в качестве датчика расхода (4) измеритель объемного расхода или скорости потока любого принципа действия от любого производителя с различными присоединительными размерами;
- применение датчиков расхода (4), реализующих различные принципы (методы) измерения, позволяет подобрать такие размеры датчиков (4), чтобы обеспечить большую площадь поперечного сечения внутренней камеры (2)
- большая площадь поперечного сечения внутренней камеры (2) обеспечивает незначительные потери давления среды в счетчике;
- так как внутренняя камера (2) счетчика имеет площадь поперечного сечения, многократно (не менее, чем в 10 раз) превышающую площадь поперечного сечения входного канала (7) счетчика и входного отверстия датчика расхода (4), поток измеряемой среды, попадая через входное отверстие в камеру, существенно уменьшает скорость движения, становится более равномерным и стабильным. Далее, протекая через датчик расхода (диаметр которого в несколько раз меньше диаметра камеры) поток увеличивает скорость движения, что создает белее благоприятные условия для высокоточных измерений скорости потока и дополнительно снижает влияние внешних возмущающих факторов;
Применение указанных технических решений существенно расширяет перечень датчиков расхода, которые могут быть использованы в счетчике, обеспечивает более высокую стабильность и равномерность потока на измерительном участке, а также, практически, полную нечувствительность счетчика к возмущениям потока в трубе, порождаемым местными сопротивлениями типа «редуктор», «задвижка» и т.д. Данные решения служат развязкой условий потока перед датчиком расхода от условий потока на входе в счетчик. В результате, повышается точность измерения расхода среды счетчиком, обеспечивается устойчивость к возмущениям, возможность применения коротких прямых участков измерительного трубопровода.
Перечень элементов устройства
1. Корпус
2. Камера
3. Куполообразная изогнутая часть
4. Датчик расхода
5. Переходное устройство
6. Устройство подготовки потока
7. Входной канал
8. Выходной канал
9. Электронный блок
10. Фильтр грубой очистки
11. Отсечной клапан
12. Датчик обнаружения утечки среды.