ЗОНДОВЫЙ ВИХРЕВОЙ ДАТЧИК РАСХОДА

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.
Общеизвестна конструкция датчика [1], состоящая из встраиваемого в трубопровод проточного корпуса, в канал которого консольно выступает тело обтекания, преимущественно в виде размещенной перпендикулярно оси канала (и потока) призмы, которая вибрирует в направлении перпендикулярном к потоку под влиянием пульсации давлений на ее боковых сторонах. Сигналом датчика о величине расхода является частота вибраций тела обтекания в потоке, которая регистрируется и передается на измерительный прибор путем трансформации изгибных напряжений в соответствующий электрический сигнал, например с помощью
Полезная модель тензо- или пьезочувствительных элементов, встроенных в тело обтекания.
Существенным недостатком таких датчиков является тот факт, что при переходе на измерения расхода измеряемой среды в трубах большого диаметра (до 1000 мм и более) собственная частота вибрации тела обтекания близка частоте полезного сигнала, что практически исключает возможность использования данной конструкции датчика расхода, не говоря о таких проблемах как повышенная металлоемкость, габариты и т.п.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) к заявляемому является расходомер-счетчик газа вихревой [2], 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 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 расходомера 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 [3], а также гидравлические пульсации измеряемой среды.
Таким образом, цель создания заявляемой конструкции зондового вихревого 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 конструктивных размеров и материалоемкости датчика для трубопроводов с диаметрами от 100 мм и до максимально существующих 2500 мм.
Требуемый технический результат достигается тем, что в заявляемом зондовом вихревом датчике расхода, согласно прототипу, содержащем 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, причем, в двух сквозных отверстиях верхней части корпуса преобразователя расхода, выполненного с прямоугольным (в плане) измерительным окном-каналом с размещенным в нем трапецеидальным телом обтекания, механически жестко зафиксированным с обоих концов в теле корпуса преобразователя расхода, соответственно встроены два пьезочувствительных элемента, электрически соединенные проводниками с вычислительным блоком, заподлицо с верхней поверхностью измерительного окна-канала, расположенные симметрично относительно продольной осевой линии тела обтекания за верхним его концом по ходу потока измеряемой среды, с возможностью непосредственного контактирования с измеряемой средой, верхняя часть корпуса преобразователя расхода и коаксиально совмещенная с ней заподлицо цилиндрическая втулка с внешней резьбой, сопряженные между собой (по нижней части цилиндрической втулки) центрирующим фланцевым выступом «выступ-впадина», скреплены между собой по внешним краям их торцов сварочным швом с одновременным фиксированием между внешней поверхностью верхней части корпуса преобразователя расхода и внутренней поверхностью цилиндрической втулки гарантированного зазора (А), причем, во фланце корпуса преобразователя расхода выполнена кольцевая проточка, внутренний (меньший) диаметр которой равен диаметру верхней части корпуса.
На чертеже (фиг.1) приведена конструкция зондового вихревого датчика расхода, смонтированного на трубопроводе большого диаметра (условно), на фигуре 2 - увеличенный в масштабе преобразователь расхода, на фигуре 3 - сечение Б-Б по фигуре 2, на фигуре 4 - сечение В-В по фигуре 3.
Зондовый вихревой датчик расхода (смотри фигуру 1) содержит преобразователь расхода 1 и вычислительный блок 2, размещенные, соответственно, на концах 3 и 4 полой штанги 5, снабженной узлом 6 герметизации ее относительно трубопровода и возвратно-поступательного
осевого перемещения преобразователя расхода в перпендикулярном потоку измеряемой среды направлении. В двух сквозных отверстиях (на чертеже не пронумерованы) верхней части корпуса 7 преобразователя расхода 1, выполненного с прямоугольным (в плане) измерительным окном-каналом 8, в котором размещено трапецеидальное тело обтекания 9, механически жестко зафиксированное с обоих концов в теле корпуса преобразователя расхода, встроены два пьезочувствительных элемента 10 электрически соединенные проводниками 11 с вычислительным блоком 2, заподлицо с верхней поверхностью измерительного окна-канала, расположенные симметрично относительно продольной осевой линии тела обтекания за верхним его концом по ходу потока измеряемой среды с возможностью непосредственного контактирования с измеряемой средой. Верхняя часть корпуса преобразователя расхода 7 и коаксиально совмещенная с ней заподлицо цилиндрическая втулка 12 с внешней резьбой, сопряженные между собой (по нижней части цилиндрической втулки) центрирующим фланцевым выступом 13 «выступ-впадина», скреплены между собой по внешним краям их торцов сварочным швом 14 с одновременным фиксированием между внешней поверхностью верхней части корпуса преобразователя расхода и внутренней поверхностью цилиндрической втулки гарантированного зазора (Δ), причем, во фланце корпуса преобразователя расхода выполнена кольцевая проточка 15, внутренний (меньший) диаметр которой равен диаметру верхней части корпуса.
Пьезочувствительные элементы 10 сверху (со стороны нижней части проводников 12) зафиксированы (поджаты) резьбовыми элементами (на чертеже не пронумерованы).
Двугранные углы (γ) на корпусе преобразователя расхода при входе (выходе) потока в измерительное окно-канал выполнены острыми, а на боковых стенках измерительного окна-канала по входу потока выполнены фаски (на чертеже не пронумерованы, смотри фигуру 3).
Работает зондовый вихревой датчик расхода следующим образом. При обтекании потоком измеряемой среды с обеих сторон тела обтекания 9 попеременно возникают срывающиеся вихри, представляющиеся собой так называемую «вихревую дорожку» Кармана. Пульсации давления в «дорожке» Кармана воспринимаются пьезочувствительными элементами 10, преобразуются каждым из них в электрические сигналы, которые далее поступают на обработку и вычисление расхода в вычислительный блок, после чего информация представляется пользователю в виде соответствующего показания в стандартных единицах измерения расхода.
На реальных объектах, в условиях эксплуатации, на электрический (информационный) сигнал накладываются помехи, вызванные влиянием пульсаций измеряемой среды в трубопроводе, а также возмущающих колебаний значительных присоединенных масс (трубопроводов) на пьезочувствительные элементы. Задача состоит в том, чтобы минимизировать интенсивность влияния источников помех: пульсаций измеряемой среды и вибраций присоединенных масс на пьезочувствительные элементы и в конечном итоге на полезный (информационный) сигнал. Задача эта решается двумя путями:
- выделением полезного сигнала на фоне помех методами адаптивной фильтрации, реализуемых электронными схемами с привлечением той или иной элементной базы [4];
- уменьшением влияния механических воздействий, возбуждаемых внешними источниками колебаний (присоединяемыми массами) изменением конструкции объекта.
Необходимо отметить, что реализация первого пути будет тем более эффективной, чем успешней будут решены конструкторские проблемы, а именно, чем более будут защищены от влияния посторонних возмущений пьезочувствительные элементы.
С этих позиций и рассмотрим конструкцию зондового вихревого датчика расхода (смотри фигуру 1), которая с точки зрения теории колебаний
0
представляет собой физический маятник, то есть маятник с распределенной массой. На упругой полой штанге 5, с одного конца 4 (сверху) жестко закрепленной в трубопроводе, подвешен груз (преобразователь расхода 1), который под влиянием возмущающих воздействий, источником которых являются (в нашем случае) вибрации трубопровода и гидравлические пульсации измеряемой среды, совершает малые вынужденные колебания, амплитуда которых пропорциональна амплитуде вынуждающей силы и существенно зависит от соотношения между частотой этой силы а и собственной частотой колебательной системы (присоединенная масса участка - трубопровода+датчик расхода) ω [5]. При этом, как в каждой колебательной системе, в данной конструкции амплитуда колебаний системы будет являться функцией угловой частоты возмущающей силы. Но при равенстве угловых частот возмущающей силы и собственных колебаний системы возникает резонанс, показателем чего является резкое падение коэффициента затухания и, как следствие последнего, соответственно резкий рост амплитуды колебаний. Важной характеристикой колебательной системы является ее добротность Q, которая определяется отношением полной энергии системы при резонансе к потери энергии за один период.
где W - полная энергия колебательной системы при резонансе;
п
W - потеря энергии за один период.
Для механической системы можно записать [6]:
где k - коэффициент упругости системы;
β - коэффициент затухания;
m - масса системы.
Из определения добротности колебательной системы (формула 1) следует, что, во-первых, надо максимально исключить в конструкции вероятность
появления резонанса, а, во-вторых, если он появился, максимально увеличить потери энергии за один период. А из формулы (2) следует, каким путем все это возможно осуществить.
Таким образом, проблему уменьшения колебаний зондового вихревого датчика расхода от возмущающих воздействий внешней среды и пульсаций измеряемой среды путем изменения его конструкции необходимо решать следующими способами [7]:
- устранением резонансных явлений;
- увеличением диссипации механической энергии в системе (конструкционное демпфирование);
- динамическим гашением (компенсированием) колебаний;
- введением в конструкцию колебательной системы элементов виброизоляции.
В конечном итоге демпферы, динамические гасители и виброизоляторы образуют в совокупности виброзащитные устройства, предназначенные в той или иной мере для уменьшения влияния сторонних возмущений на виброактивность конструкции, или другими словами, как в нашем случае, на процесс измерения.
Известно [7], что введение в конструкцию концентраторов механических напряжений в виде резьбовых и сварных соединений (демпферов) позволяет значительно повысить энергетические потери внутри (колебательной системы) конструкции, а именно ослабить влияние энергии сторонних возмущающих колебаний за счет ее частичного поглощения, или, другими словами, за счет совершаемой работы на преодоление сил трения. В конструкции зондового вихревого расходомера (смотри фигуру 2) предусмотрены четыре ступени виброзащиты конструкционного способа демпфирования:
1. жесткое крепление полой штанги 5 с помощью накидной гайки (на чертеже не показана) в узле 6 герметизации;
2. крепление низа 3 полой штанги с внешней резьбой верхней части корпуса 7 преобразователя с помощью резьбовой накидной втулки;
3. организация подвески (развязки) пьезочувствительных элементов 10, помещенных в сквозные отверстия верхней части корпуса преобразователя, сопряженной с нижней частью цилиндрической втулки центрирующим фланцевым выступом «выступ-впадина», скрепленных между собой по внешним краям их торцов сварочным швом с одновременным фиксированием между внешней поверхностью верхней части корпуса преобразователя расхода и внутренней поверхностью цилиндрической втулки гарантированного зазора (Δ);
4. выполнение во фланце корпуса преобразователя кольцевой проточки, внутренний (меньший) диаметр которой равен диаметру верхней части корпуса.
Все эти конструктивные меры призваны, с той или иной степенью эффективности, максимально защитить пьезочувствительные элементы от воздействия помех, вызванных колебаниями значительных присоединенных масс (трубопроводов) и гидравлических пульсаций измеряемой среды. Первые три ступени виброзащиты (1-3) чувствительных элементов 10 реализуются резьбовыми и сварными соединениями (демпферами). Четвертая ступень виброзащиты реализована исполнением кольцевой проточки 15 во фланце корпуса 7 преобразователя расхода. Кольцевая проточка также является дополнительным концентратором механических напряжений (разгружающей канавкой), [смотри РД-39-2-863-83 «Инструкция на конические резьбовые соединения забойных двигателей», Москва, 1983. - 74 с.(стр.32, 33)], а критический линейный размер (h) выбирается, исходя из сохранения требуемой прочности (целостности) металла в зоне формирования проточки.
Пассивное динамическое гашение (компенсирование) колебаний в конструкции зондового вихревого датчика расхода обеспечено увеличением массы низа корпуса преобразователя расхода, который выполнен цельнометаллическим. Физическая сущность динамических гасителей состоит в противодействии колебаниям объекта за счет реакций, передаваемых на него дополнительной присоединенной телом (массой), или другими словами можно
сказать, что для сохранения режима вынужденных колебаний объекта необходима дополнительная энергия внешнего источника колебаний. Естественно предположить, что включение в колебательную систему динамических гасителей в виде присоединенной массы затрудняет переход системы в состояние резонанса. Необходимо также отметить, что способ динамического гашения тем эффективней, чем меньше отношение масс источника колебаний и динамического гасителя.
Строго говоря, по своей сути конструкция зондового вихревого датчика расхода представляет собой тело обтекания (корпус преобразователя 7, подвешенный на полой штанге 5, находится в общем потоке измеряемой среды), за которым естественно по ходу общего потока формируются вихри («вихревая дорожка» Кармана). В то же время в теле корпуса преобразователя расхода сформировано измерительное окно-канал 8, в котором размещено трапецеидальное тело 9 обтекания, являющееся основным источником пульсаций давления (вихрей), частота колебаний которых пропорциональна расходу измеряемой среды, отводимой частично из основного потока в измерительный канал. Передние кромки (граница корпуса тела обтекания и измерительного канала) являются источниками дополнительной турбулизации потока - вихрей, которые проходят в измерительный канал и естественно мешают формированию стабильных пульсаций («вихревой дорожки» Кармана), что и является причиной возникновения дополнительной погрешности измерения расхода измеряемой среды. Острые кромки в виде двугранного угла (γ) на нижней и верхней поверхностях измерительного окна-канала затягивают или отдаляют и по времени и по расстоянию формирование пограничного слоя как на верхней (а естественно и в зоне контактирования с измеряемой средой пьезочуствительных элементов) и нижней поверхностях измерительного окна-канала, а, следовательно, и его отрыв [8]. Фаски на боковых стенках измерительного окна-канала также способствуют плавному входу потока в измерительный канал.
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, ПРИНЯТЫЕ ВО ВНИМАНИЕ
ПРИ ОФОРМЛЕНИИ НАСТОЯЩЕЙ ЗАЯВКИ:
1. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. - Л.: Машиностроение, 1989. - 701 с.(стр.367);
2. ТУ 39-0148346-001-92 «Счетчики газа вихревые СВГ. Технические условия» (Приложение Б) СВГ (№13489-00 в Госреестре средств измерений РФ) (прототип);
3. Золотаревский С.О применимости различных методов измерения расхода для коммерческого учета газа // Газ. Специализированный журнал - 2006, №3 (стр.14);
4. Баранов С.Л., Болдин B.C., Абрамов Г.С., Зимин М.И. Новое поколение вихревых расходомеров // НТЖ. Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. - М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2002. - №6 (стр.9-15);
5. Ландау Л.Д., Ахиезер А.И., Лившиц Е.М. Курс общей физики. Механика и молекулярная физика. Изд. «Наука», Главная редакция физико-математической литературы, 1969. - 400 с. (стр.109);
6. Сена А.С. Единицы физических величин и их размерности. - М.: Издательство «Наука», 1977. - 336 с. (стр.136);
7. Вибрации в технике: Справочник: В 6-ти т.Т.6. 2-е изд., испр. и доп. - М.: Машиностроение, 1995. Защита от вибрации и ударов. - 456 с.(стр.33, 34,148);
8. Альтшуль А.Д., Киселев П.Г. Гидравлика и аэродинамика. Учебное пособие для вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1975. - 323 с. (стр.235,236);