ВИХРЕВОЙ ЗОНДОВЫЙ 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.
Известен расходомер-счетчик газа вихревой [1], 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 расходомеров 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 [2].
Известен также зондовый вихревой датчик расхода [3], который 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.
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.
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 вычислительный блок, размещенный на верхнем конце первой полой штанги, узел герметизации в составе фланца с опорой, снизу скрепленной сварным швом с трубопроводом, преобразователь расхода, воронкообразный конус, внутренняя поверхность цилиндрической части которого сопряжена резьбовым соединением с нижней частью первой полой штанги, а торцевая поверхность раструба воронкообразного конуса скреплена сварным швом с верхней поверхностью фланца, цилиндрическую втулку (с двумя уплотнительными кольцами), помещенную в цилиндрическую полость фланца, полую фигурную стяжку, вторую полую штангу, низ которой жестко встроен в верхнюю часть преобразователя расхода, а верхняя часть второй полой штанги соосно встроена с минимальным зазором в полость цилиндрической втулки и скреплена с ней по ее торцу (втулки) сварочным швом, а торцевая поверхность второй полой штанги скреплена 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.
Виброустойчивая конструкция датчика позволяет производить корректные измерения расходов в условиях повышенных вибраций подводящих трубопроводов. Однако, практика эксплуатации датчиков показала, что виброустойчивая конструкция датчика весьма чувствительна к внешним воздействиям в виде акустических шумов, передаваемых трубопроводами и воспринимаемых, соответственно, чувствительными сенсорами преобразователей расхода.
Таким образом, цель создания заявляемой конструкции вихревого зондового 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 акустических колебаний значительных присоединенных масс (трубопроводов).
Требуемый технический результат достигается тем, что в заявляемом вихревом зондовом 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, воронкообразный конус, внутренняя поверхность цилиндрической части которого сопряжена резьбовым соединением с нижней частью первой полой штанги, а торцевая поверхность раструба воронкообразного конуса скреплена сварным швом с верхней поверхностью фланца, преобразователь расхода, вторую полую штангу, низ которой своей расширенной частью в виде накидной втулки сопряжен с верхней частью преобразователя расхода с двумя уплотнительными кольцами, а верхняя часть второй полой штанги соосно встроена с минимальным зазором в полость фланца (заподлицо с его верхней поверхностью) и соединена сварным швом с нижней торцевой поверхностью последнего, в полость второй полой штанги, соосно с ней, дополнительно установлена с минимальным зазором трубка с размещенной на ней силиконовой втулкой, причем низ трубки, выполненный в виде расширяющегося фланца, скреплен болтами (не менее двух) через цилиндрическую втулку с верхней частью преобразователя расхода, торцевая поверхность низа силиконовой втулки упирается в торцевую поверхность расширяющегося фланца низа трубки, а сверху силиконовая втулка поджата прижимной втулкой и соответственно удлиненной гайкой с возможностью ее перемещения по резьбе верхней части трубки.
Вихревой зондовый 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, воронкообразный конус 7, внутренняя поверхность цилиндрической части которого сопряжена резьбовым соединением 8 с нижней частью первой полой штанги, а торцевая поверхность раструба воронкообразного конуса скреплена сварным швом 9 с верхней поверхностью фланца, преобразователь расхода 10, вторую полую штангу 11, низ которой своей расширенной частью в виде накидной втулки 12 сопряжен с верхней частью преобразователя расхода с двумя уплотнительными кольцами 13, а верхняя часть второй полой штанги соосно встроена с минимальным зазором в полость фланца 3 (заподлицо с его верхней поверхностью) и соединена сварным швом 14 с нижней торцевой поверхностью последнего, трубку 15 с размещенной на ней силиконовой втулкой 16, установленной с минимальным зазором в полость второй полой штанги, соосно с ней, а низ трубки, выполненный в виде расширяющегося фланца 17, скреплен болтами 18 (не менее двух) через цилиндрическую втулку 19 с верхней частью преобразователя расхода 10, торцевая поверхность низа силиконовой втулки упирается в торцевую поверхность расширяющегося фланца 17 низа трубки 15, а сверху силиконовая втулка 16 поджата прижимной втулкой 20 и соответственно удлиненной гайкой 21 с возможностью ее перемещения по резьбе 22 верхней части трубки.
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 звуковых волн, источником которых являются колеблющиеся присоединенные массы трубопроводов. Причина колебаний присоединенных масс многообразна: гидравлические пульсации измеряемой среды, температурные изменения, ветровые нагрузки, сезонные изменения, движущийся транспорт, проведение различных работ по обустройству месторождений. Проявляются колебания присоединенных масс трубопроводов в виде вибраций, а также в виде звуковых волн. Звуковые волны представляют собой продольные механические волны, распространяемые (в нашем конкретном случае) в твердых телах в виде колебаний давления (волн давления) [5, стр.250…260]. В результате наложения всех видов посторонних возмущений в упругой среде, а именно в теле второй полой штанги 11 и в теле трубки 15 образуются нерегулярные колебания в виде смеси многочисленных колебаний (волн давления) с самыми разнообразными частотами (до десятков кГц). Далее эти волны давления через упругую массу преобразователя расхода 10 передаются на пьезочувствительные элементы и в конечном итоге (в виде шума) накладываются на полезный (информационный) сигнал, вызывая тем самым дополнительную погрешность измерения расхода. Естественно предположить, что для ограничения действия энергии звуковых волн на пути распространения продольных механических волн в конструкции должна быть предусмотрена звукопоглощающая среда. С этих позиций и рассмотрим предложенную конструкцию.
Под звуковым давлением p понимают происходящие в звуковой волне периодические изменения давления (сжатия и растяжения) в упругой среде [5, стр.259]:
m
p=ρcωYCosωt,
3
где ρ - плотность среды (кг/м);
c - фазовая скорость (скорость звука) звуковых волн (м/с), зависящая только от механических свойств среды (модуля упругости и плотности);
m
Y - амплитуда колебаний звукового давления.
Каждая звуковая волна переносит энергию колебательного движения от одной частицы к другой. Соответственно, за время t через поверхность площадью, определяемой сечениями элементов 11 и 15 (второй полой штанги и трубки) проходит некоторая энергия. Эта энергия тратится на периодические изменение давления в упругих средах (сжатие и разрежение) в элементах 11 и 15, или другими словами, на периодические микроперемещения частиц в них, в том числе и поверхностных. Введение в конструкцию (в полость между внутренней поверхностью второй полой штанги 11 и внешней поверхностью трубки 15) сжатой сверху силиконовой втулки 16 обеспечивает уменьшение энергии звуковых волн (волн давления) и соответственно уменьшение их влияния на полезный сигнал за счет ее (энергии) использования на преодоление сил трения. Эти силы трения возникают внутри объема силиконовой втулки 16, которая всей своей поверхностью, будучи в сжатом состоянии, воспринимает энергию колебаний давления объемов второй полой штанги 11 и трубки 15. В конечном итоге, работа против сил трения (на преодоление сил трения) превращается в тепловую энергию.
Для оценки меры ослабления энергии звуковых волн в нашем конкретном случае можно использовать понятие коэффициента звукоизоляции, который представляет собой разность уровней интенсивностей звука до и после прохождения звукоизоляционного материала, определяемых через отношение уровней звукового давления [5, стр.259…262].
В качестве изолирующего материала силиконовой втулки 16 используется силиконовая резина, обладающая уникальными свойствами. Изделия из силикона отлично переносят перепады температур в широком диапазоне, ударопрочны, эластичны и долговечны в промышленной эксплуатации, в том числе и в условиях агрессивных сред.
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.
1. ТУ 39-0148346-001-92 «Счетчики газа вихревые СВГ. Технические условия» (Приложение Б) СВГ (№13489-00 в Госреестре средств измерений РФ);
2. Золотаревский С.О применимости различных методов измерения расхода для коммерческого учета газа // Газ. Специализированный журнал - 2006, №3 (стр.14);
3. RU 82320 U1, 09.12.2008;
4. Заявка на полезную модель №2011149427/28(074214), приоритет 05.12.2011, (прототип);
5. Кухлинг X. Справочник по физике: Пер. с нем.. - М.: Мир, 1982. - 520 с.