УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАССОВОГО РАСХОДА ТЕКУЧИХ СРЕД
DEVICE FOR DETERMINING MASS FLOW RATE OF FLUID MEDIA

Изобретение относится к измерительной технике расходомеров, а именно к устройствам измерения массового расхода жидких сред в напорных трубопроводах круглого сечения.
Хорошо известен класс расходомеров ультразвукового типа, основанный на эффекте Доплера, а также класс - на основе метода бокового сноса узкого звукового луча. При доплеровском методе звуковая волна, распространяясь по или против течения жидкости на заданном отрезке трубы, приобретает временной сдвиг, а также фазовый и частотный набеги, которые пропорциональны скорости потока. Из этих данных расчетно определяется объемный расход жидкости. В случае использования второго указанного ультразвукового метода, скорость потока находится по величине бокового сноса звукового луча за время поперечного прохождения через слой движущейся жидкости.
К наиболее важным достоинствам ультразвуковых расходомеров относится возможность использования их для любых жидкостей, в том числе химически агрессивных. Недостатком таких расходомеров является сложность измерительной системы, что связано, главным образом, с малостью отношения v/c, где v - скорость потока жидкости, с - скорость звука в ней.
Известен также класс массовых расходомеров на эффекте Кориолиса. Основное преимущество расходомеров на эффекте Кориолиса заключается в прямом вычислении расхода массы.
Недостатками расходомеров на эффекте Кориолиса являются большая масса и габариты приборов, а также высокая цена. Кроме того, данный вид расходомеров подвержен влиянию внешней механической вибрации на показания.
Известно устройство для определения массового расхода текучих сред, патент России №2145060, G01F 1/78, G01F 1/28, 1997 г. Устройство содержит установленное в измерительном трубопроводе тело обтекания, выполненное в виде крылового профиля или пластины и через подпружиненный силопередающий элемент соединенное с датчиком усилия, имеющим частотный выходной сигнал.
Недостатком данного устройства является сложность конструкции и электронной схемы.
Целью изобретения является устранение указанных недостатков прототипа путем изменения принципа измерения фактора динамического воздействия текущей среды на чувствительный элемент.
Целью изобретения является также упрощение конструкции измерительного узла расходомера.
Поставленная цель достигается тем, что в качестве сенсорного элемента массового расхода текущей среды используется упруго изгибаемая и колеблющаяся на собственной частоте лопасть, интегральный изгиб которой пропорционален расходу среды, а частота собственных колебаний пропорциональна плотности среды. При этом для измерения интегрального прогиба и измерения собственной частоты колебаний лопасти используются тензодатчики, например, типа электрического сопротивления, скрепленные с поверхностью лопасти. Конструкция же лопасти выполняется с учетом получения оптимальной упругой ее гибкости в рамках задаваемого интегрального прогиба. Вместе с тем в конструкцию лопасти закладывается принцип возбуждения автоколебаний на основной моде в потоке текущей среды.
Величина усилия, с которым движущаяся среда воздействует на лопасть, определяется соотношением:
<mrow><mi>F</mi><mo>=</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ρ</mi><mo>⋅</mo><msup><mi>w</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>⋅</mo><msub><mi>C</mi><mi>x</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>s</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где: ρ - плотность измеряемой среды;
w - скорость движения среды;
х
С - коэффициент лобового сопротивления, зависящий от формы лопасти и числа Рейнольдса;
s - миделевая площадь лопасти.
Массовый расход текучей среды G определяется площадью живого сечения, плотностью движущейся среды и ее скоростью:
<mrow><mi>G</mi><mo>=</mo><mi>ρ</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>S</mi><mn>0</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>w</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
0
где: S - площадь живого сечения потока.
Учитывая выражение (1), зависимость (2) после преобразований примет вид:
<mrow><mi>G</mi><mo>=</mo><msub><mi>S</mi><mn>0</mn></msub><mo>⋅</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mi>ρ</mi><mo>⋅</mo><mi>F</mi></mrow><mrow><msub><mi>C</mi><mi>x</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>s</mi></mrow></mfrac></mrow></msqrt><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Следовательно, если измерить усилие, с которым движущаяся среда давит на лопасть и плотность, то можно найти массовый расход текучей среды через данное сечение.
Измерение плотности в данном устройстве основано на зависимости частоты собственных колебаний твердого тела от плотности среды, в которую тело погружено. Физическая модель, объясняющая такую зависимость, заключается в том, что колеблющееся тело лопасти вовлекает в колебания некоторую массу среды - так называемую присоединенную массу, которая увеличивает эффективную массу лопасти и тем самым изменяет частоту ее собственных колебаний. Поскольку масса вовлеченной в колебания среды зависит от плотности, то и частота колебаний лопасти зависит от плотности среды.
В рамках такой модели можно показать, что свободные гармонические колебания лопасти, погруженной в несжимаемую среду, совершаются с собственной частотой:
<mrow><mi>f</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><msqrt><mrow><mfrac><mi>K</mi><mrow><msub><mi>m</mi><mi>Л</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>m</mi><mi>С</mi></msub></mrow></mfrac></mrow></msqrt><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><msqrt><mrow><mfrac><mi>K</mi><mrow><msub><mi>m</mi><mi>л</mi></msub><mo>+</mo><mi>V</mi><mo>⋅</mo><mi>ρ</mi></mrow></mfrac></mrow></msqrt><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где: К - жесткость лопасти;
Л
m - масса лопасти;
c
m=V·ρ - масса вовлеченной в колебания среды;
V - объем вовлеченной в колебания среды.
Схема устройства представлена на фиг.1. Чувствительный элемент устройства 1 представляет собой лопасть из упруго гибкого материала. Геометрические и физические параметры лопасти выбираются в зависимости от типа протекаемой среды, а также динамики течения. На фронтальной и тыльной (по отношению к потоку) сторонах лопасти находятся тензометрические датчики резистивного типа - тензорезисторы 2, измеряющие статическую и динамическую деформацию лопасти. При этом у фронтальных тензорезисторов в момент деформации лопасти электрическое сопротивление увеличивается, а у тыльных - уменьшается. Тензорезисторы включены в мостовую электрическую схему. При наклейке четырех тензорезисторов на лопасть измеряемое напряжение повышается, что поднимает чувствительность измерительной цепи. Температурное же изменение сопротивления тензорезисторов компенсируется. Сигналы от тензорезисторов поступают в электронную схему измерения интегрального прогиба и частоты колебаний 3, расположенную в блоке обработки сигналов 4. Там же производится вычисление массового расхода текучей среды. Устройство устанавливается на трубопроводе 5 с помощью врезного патрубка 6 или иным другим удобным способом.
Расходомер функционирует следующим образом. При изменении скорости потока меняется гидродинамическое воздействие потока на измерительную лопасть. При этом изменяется интегральная величина деформации лопасти, а также деформация тензорезисторов, прикрепленных к лопасти, и, следовательно, изменяется балансировка измерительного моста.
Лопасть, находясь в движущемся потоке, испытывает флуктуации силы воздействия потока на нее, что возбуждает собственные колебания лопасти. Треугольная геометрия лопасти обеспечивает преимущественное возбуждение колебаний на основной изгибной моде. Преимущественное возбуждение колебаний на основной моде способствует более точному измерению частоты колебаний и, следовательно, более точному определению плотности среды.
Сигналы от тензорезисторов поступают в блок обработки сигналов, где по заданному алгоритму вычисляется массовый расход жидкости.
Для проверки работоспособности предлагаемого устройства измерения массового расхода текущей среды были проведены эксперименты, в которых определялась деформация и частота колебаний лопасти, помещенной в поток воды, протекающей по трубопроводу. Эксперименты показали высокую чувствительность предлагаемого устройства к измерению массового расхода жидкой среды.
Данный вариант осуществления изобретения не исключает иных вариантов устройства расходомера в пределах формулы изобретения.
Таким образом, изобретение в техническом и функциональном отношении значительно упростилось относительно прототипа. Изобретение приобрело также большую надежность в работе, простоту эксплуатации и расширенный динамический диапазон точного измерения массового расхода протекающих сред.