СЧЕТЧИК-РАСХОДОМЕР ГАЗА
FLOW RATE METRE OF GAS

Изобретение относится к измерительным устройствам и может быть использовано в технологических трубопроводах для измерения количества газа или жидкости в производственных процессах, а также в узлах учета энергоресурсов для коммерческого расчета в ЖКХ.
Известны расходомеры газа и жидкости [1 - С.Л. Трескунов и др. Струйные автогенераторные расходомеры - новый тип измерителей расходов. Ж.П и СУ, №11, 1990 г.; 2 - Х. Ясуда и др. Разработка малогабаритного газового расходомера. Межд. конференция по исследованию газа, 1989], содержащие основной и байпасный каналы, причем в основном канале расположен генератор на струйных элементах. Основным недостатком таких устройств является недостаточный динамический диапазон измеряемого расхода, сравнительно большой нижний уровень расхода, с которого начинается измерение.
Частичное устранение недостатков сделано в известном устройстве [3 - Н. Gelaar. Volumenzahlermit mit Fluidik - Elementen. Messen, steuern, regeln. 1991, 34, №5, 222-226], в части расширения диапазона и уменьшении нижнего уровня измеряемого расхода. Это устройство содержит два датчика расхода на разные диапазоны измерения, которые включаются в работу с помощью переключающего клапана. В канале байпаса расположен термоанемометрический датчик расхода для измерения малых расходов (4% всего диапазона расхода), В основном канале расположен струйный частотный датчик расхода (струйный генератор), измеряющий большую часть расхода (96%), выход которого соединен с преобразователем и вычислителем. Недостаток такого метода измерения - это ограничения по измеряемому диапазону, особенно в верхней части диапазона. Объясняется это тем, что при больших величинах расхода в струйном генераторе возникают большие потери давления, поскольку сам струйный генератор расположен в канале, через который проходит весь измеряемый расход. Ограничения по величине потерь давления при измерении вводятся, например, различными техническими условиями (ТУ) в технологических производствах, при перекачке газа, или при применении счетчиков в бытовом секторе в домовых сетях. Для соблюдения этих условий приходится увеличивать размеры чувствительного элемента генератора и всего устройства. Различные способы измерения, примененные в известном устройстве [3] на разных диапазонах расхода, в данном случае аналоговый на термисторах и частотный на струйном генераторе, создают дополнительные трудности согласования выходного сигнала от каждого датчика своего диапазона в вычислителе, при выполнении различных принципов построения преобразователей для передачи сигнала вычислителю. Также дополнительные вопросы приходится решать при обеспечении электропитания преобразователей.
Кроме того, характеристики аналогового датчика перепада давления как индикатора включения байпаса ненадежны, особенно при малых перепадах давления, когда разброс уровня переключения более 50%. Следующий недостаток - это отсутствие унификации устройств измерения - датчиков расхода разных диапазонов.
Основной недостаток струйных счетчиков-расходомеров, в которых пропускается расход только через струйный генератор, состоит в нелинейной зависимости между расходом и выходной частотой. При этом возникает требование ограничения по создаваемому перепаду давления при измерении максимального расхода в выбранном диапазоне. Кроме того, необходимо обеспечить устойчивые колебания струйного течения при измерении минимального расхода диапазона, при котором перепад давления на счетчике, составляет десятые доли Па.
Для обеспечения таких противоречивых условий работы возникают проблемы подбора и согласования характеристик параметров струйных элементов для счетчиков-расходомеров.
Оптимальное соотношение размеров канала управления и сопла питания определяется началом колебания струи измеряемого расхода, которое также зависит от положения сопла управления относительно сопла питания, длины пути струйного течения до приемных сопел и длины внешних коммуникационных каналов от приемных каналов до управляющих сопел. Геометрия проточной части струйного элемента выбирается экспериментальным путем в сочетании с дополнительными аэродинамическими свойствами.
Известно, что в струйных дискретных элементах используется эффект притяжения струи к стенке, наличие которого обеспечивает устойчивость положения струи за счет гистерезиса уровней сигналов управления (срабатывание и отпускание). При этом для отрыва течения от стенки требуется повышение мощности сигнала управления. Это снижает коэффициент усиления струйного элемента и повышает начальный уровень минимального перепада давления и частоты.
Для преодоления этого недостатка струйных дискретных элементов предлагается примененить аналоговые струйные элементы для построения струйного генератора, которые позволяют освободиться от свойства дискретного элемента - примыкания струи к стенке и понизить начальный уровень измеряемого расхода.
Еще более радикальным снижением начального измеряемого расхода является использование внутренней обратной связи в аналоговом струйном элементе, возникающей при взаимодействии натекающей струи газа из сопла питания на отражатель, размещенный на его пути, что приводит к еще более раннему возникновению колебаний струи. В этом случае устойчивые колебания струйного течения возникают на более низком уровне перепада давления и с меньшим начальным расходом. При этом внутренняя обратная связь придает более крутой фронт сигналу по давлению, понижая мощность управляющего воздействия на струю питания струйного элемента.
Кроме того, выявление оптимальной геометрии позволяет повысить мощностные свойства потока в каналах управления и выходных каналах элементов, а также сократить время передачи импульсов управления и взаимодействия струи с отражателем в камере струйного элемента. Выбор геометрии отражателя позволяет оптимизировать размеры вихревого течения вблизи приемных сопел, которое меняет свои размеры при изменении параметров измеряемого расхода, в частности перепада давления.
Использование струйных счетчиков-расходомеров, содержащих байпас, для смещения характеристики в сторону увеличения расходов также неудовлетворительно, т.к. этот прием не увеличивает динамический диапазон измерения. Стандартные сужающие устройства, располагаемые в байпасе, также имеют ограничения по диапазону расхода. Кроме того, стандартные сужающие устройства требуют спрямляющие участки подключаемых трубопроводов.
Частичное преодоление указанных недостатков показано в решении струйного расходомера по патенту SU 1081421 А1, опубл. 23.03.1984 (НИИТеплоприбор), которое является наиболее близким по технической сущности к предложенному изобретению и принятому за прототип.
Известный струйный расходомер, построенный на одном дискретном струйном элементе генератора, содержащий входное сопло, рабочую камеру, установленный напротив сопла отражатель, имеет недостаточную чувствительность по возникновению колебаний струи при минимальном перепаде давления.
Использование дискретного струйного элемента имеет вышеперечисленные недостатки. Кроме того, большие по объему и длине внешние каналы обратной связи приводят к значительному запаздыванию переключения струи питания, сформированной измеряемым потоком. Отсюда возникает пониженный рост частоты струйных колебаний при увеличении расхода, что уменьшает точность измерения и увеличивает нелинейность характеристики «частота - расход».
Техническим результатом предложенного устройства является расширение диапазона измерения расхода струйным генератором, снижение начального уровня измерения расхода, повышения чувствительности возникновения колебаний дополнительными аэродинамическими приемами, например применение встречного отражателя, формирующего неустойчивые положения струи, местные внутренние обратные связи в аналоговом струйном элементе, тем самым повышающих коэффициенты усиления внешней обратной связи, которые обеспечивают более крутой фронт сигнала по давлению.
Технический результат достигается тем, что в предложенном счетчике-расходомере газа, содержащем подключенный к преобразователю и вычислителю струйный генератор частоты (датчик расхода) на струйном элементе с соплом питания и каналами управления, установленный напротив сопла питания отражатель, согласно изобретению струйный генератор составлен из нескольких аналоговых струйных элементов, причем каждый струйный элемент своими выходами связан с входами последующего элемента.
Кроме того, технический результат достигается тем, что:
ширина с канала управления каждого струйного элемента выполнена относительно ширины b сопла питания в пределах 1,2<c/b<1,8;
ширина l между каналами управления каждого струйного элемента находится в пределах 1,2<l/b<1,5 относительно ширины b сопла питания;
длина пути L струи питания до приемных каналов относительно сопла питания b находится в пределах 3<L/b<6;
Конструктивное выполнение струйных сопел питания в струйном генераторе позволяют значительно ослабить методическое требование при измерении расхода с помощью сужающих устройств обязательной стабилизации течения наличием спрямляющих участков до и после измерительного устройства.
Сопло питания струйного элемента выполнено с приближением гидравлического сопротивления сопла к гидравлическому сопротивлению в тонкой стенке, обладающей свойством постоянной величины коэффициента истечения и характеризующего стабильность течения, начиная с некоторого числа Re>90. Условия течения в предложенном счетчике-расходомере не нарушают режим течения в трубе процедурой измерения расхода газа. При установке не требуются спрямляющие участки до и после счетчика-расходомера, а также возможна любая ориентация в пространстве.
Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг.1), на котором представлена схема счетчика-расходомера газа. Жирной линией обозначена первая половина информационного пути прохождения сигнала по элементам струйного генератора - до перехода струй из одного положения в другое.
В трубе 1, в которой измеряется расхода газа, последовательно расположен струйный генератор 2 (датчик расхода), подключенный к преобразователю 3 и далее к вычислителю 4. Струйный генератор 2, состоит из трех аналоговых струйных элементов 51, 52, 53, каждый из которых снабжен отражателями 61, 62, 63, формирующих местную обратную связь с помощью вихреобразования 161, 162, 163. На примере струйного элемента 51 кромки 131 и 141 каналов управления 71, 81 раздвинуты относительно оси сопла питания 151 и получили величину l, ширина С каналов управления 71,81 увеличена относительно ширины b сопла 151 питания. Длина пути струи одинаковая в каждом струйном элементе и обозначена L на примере элемента 52. Каждый струйный элемент входами соединен с выходами предыдущего элемента и выходами соединен с входами последующего элемента. Например, элемент 51 связан выходами 91 и 101 с входами 72 и 82 последующего элемента 52 и входами 71 и 81 с выходами 93 и 103 предыдущего элемента.
Из трубы 1 газ одновременно проходит в сопла 151, 152, 153 питания трех струйных элементов датчика 2, и через сливные камеры 111 и 121 струйного элемента 51, 112 и 122 струйного элемента 52, 113 и 123 струйного элемента 53 попадает по сливному каналу 15 на выход в трубу 1 к потребителю.
В предложенном счетчике-расходомере использованы аналоговые элементы с отражателем. Предложенный счетчик-расходомер характеризуется использованием аналоговых струйных элементов с внутренней обратной связью, в которых отсутствует наклонная стенка для примыкания струи в процессе работы струйного элемента и поэтому в таких элементах отсутствует сам факт притяжения струи к стенке камеры. В отдельном элементе в отсутствие управляющих сигналов струя занимает неустойчивое центральное положение.
Этот прием определяет работу струйного элемента в новом режиме, который можно охарактеризовать как квазианалоговый, т.к. существует петля переключения в отражателе вогнутой формы, и который характеризуется как средством изменения радиальной протяженности вихрей в функции параметров струи питания.
Начальное положение струи определяется действием потока в отражателе, выполняющего роль отрицательной обратной связи, т.к. он направлен против возможного управляющего давления на струю, например в канале 72. При появлении давления управления в канале 72 отраженный поток усиливается по расходу, продолжая удерживать струю в положении, близком к исходному. В это время действие вихревой зоны фиксируется как отрицательная обратная связь. Усиление отраженного потока происходит за счет смещения струи питания к оси отражателя, при котором часть струи питания вовлекается в вихреобразование вблизи отражателя, тем самым увеличиваясь в объеме не только при действии давления управления, но и при увеличении измеряемого расхода через сопло питания элемента.
По мере роста управляющего давления в канале 72 струя отклоняется к критическому среднему положению. В момент перехода струи среднего положения вращение отраженного потока меняется на противоположное и его действие превращается в положительную ОС, которая ускоряет поворот и переключение струи с выходного канала 92 на выходной канал 102 и далее в канал 83 управления элемента 53. Наличие первоначальной, небольшой по величине давления, отрицательной обратной связи порождает петлю гистерезиса при переключении в противоположную сторону. Аналогично происходит последовательное переключение в двух других элементах. Такое переключение способствует увеличению крутизны выходного сигнала, например в канале 102 и управляющего сигнала в канале 83 элементов 52 и 53 и также в каждом струйном элементе по предложенному изобретению, что улучшает свойства передаваемого по цепи сигналов по давлению. Это качество является чрезвычайно важным для преобразования сигналов давления в электрический выходной сигнал (импульсы) с помощью пьезоэлемента 3. Ступенчатый характер переключения сигналов давления отсуствует в чисто аналоговых струйных элементах.
Таким образом, в генераторе используются аналоговые струйные элементы с внутренней ОС, в которых каналы управления раздвинуты относительно оси струи питания с увеличенными сечениями. Ширина l между каналами управления каждого струйного элемента находится в пределах 1,2<l/b<1,5 относительно ширины b сопла питания. Это способствует повышению выходной частоты и точности измерения при одинаковом расходе с прототипом.
Каналы управления каждого струйного элемента имеют увеличенное, относительно сопла питания, сечение 1,2<с/b<1,8 с целью мощного воздействия на струю питания не только первичной амлитудной волной по каналу управления, но и присоединяя к этой части расходную часть сигнала управления.
Длина пути L, которую проходит струя питания до приемных каналов, находится в пределах 3<L/b<6 относительно сопла питания b. Эта величина характерна тем, что она соизмерима с областью скоростей, которые имеются в потоке газа до выхода из сопла питания. Что позволяет при проходе через сливную полость (токовая, гальваническая развязка) сохранить скоростной напор и повысить коэффициент восстановления давления непосредственно в канале управления следующего элемента. Уменьшение объема камеры струйного элемента позволяет сократить время передачи сигнала по давлению.
Преобразователь 3 сигналов давления в электрический сигнал выполнен, например, на пьезоэлементе, вычислитель 4 с вторичной электронной аппаратурой усиливает и формирует унифицированные электрические сигналы.
По принципу действия струйного датчика 2 расхода его частота колебаний сигналов давления на выходах 93, 103 пропорциональна объемному расходу в трубе.
Счетчик-расходомер газа работает следующим образом (фиг.1). Газ поступает из трубы одновременно в сопла питания 151, 152, 153 каждого струйного элемента 51, 52, 53, проходит в сливные камеры 111 и 121 струйного элемента 51, 112 и 122 струйного элемента 52, 113 и 123 струйного элемента 53 и попадает обратно в трубу 1 по сливному каналу 15.
При наличии начального расхода в датчике 2 формируются струи из сопел питания элементов 51, 52 и 53. Струя питания, например, из сопла 151 попадает в выходной канал 101 струйного элемента 51, если существует сигнал в канале 71, и далее, следуя по пути обозначенной жирной линией и через элементы 52 и 53 из выхода 103 попадает в канал управления 81 струйного элемента 51, в котором происходит отклонение струи питания в противоположный выходной канал 91. Далее процесс повторяется. Колебания сигналов давления в каналах 93 и 103 преобразуются в электрические сигналы преобразователем 3, который может быть выполнен, например, в виде пьезоэлемента. Вторичная электронная аппаратура - вычислитель 4 усиливает и формирует электрические сигналы в удобные для регистрации стандартные формы.
Струйный генератор 2 выполнен по схеме трех элементов с передачей импульсов по кругу (замкнутой информационной цепи), т.е. выходной третий последний (на фиг.1) элемент 53 подключен к входам первого элемента 51, замыкая всю цепь передачи импульсов. Такая схема позволяет значительно снизить начальный уровень измеряемого расхода по сравнению, например со схемой на одном струйном элементе и повысить точность измерения расхода.
Частота сигналов давления от датчика 2 через электропреобразователь 3 поступает в вычислитель 4. Эта частота соответствует объемному расходу газа (жидкости), а сумма импульсов объемному количеству. К вычислителю подключается регистрирующее устройство (не показано), отображающее расход и количество прошедшего газа.
Импульсный единичный объем, т.е. объем измеряемого газа, приходящийся на один импульс, определяется формулой q=Q/f, Q - расход через струйный генератор 2 (датчик), f - текущая частота импульсов датчика 2.
С увеличением расхода Q увеличивается частота f датчика 2 расхода, а следовательно, и электрических импульсов на выходе преобразователя 3. С уменьшением расхода Q процесс будет обратный.
Вычислитель определяет объем прошедшего газа по количеству импульсов, а расход по частоте импульсов от датчика 2.
Предложенный счетчик-расходомер газа имеет следующие преимущества:
- расширен диапазон измерения объемного расхода за счет построения струйного генератора на аналоговых струйных элементах с внутренней обратной связью,
- снижен начальный уровень измерения расхода за счет раздвинутого канала управления и увеличения его сечения,
- повышена чувствительность колебаний дополнительными аэродинамическими приемами, таких как применение отражателя, формирующего местную обратную связь,
- повышена линейность характеристики частота колебаний струи - расход,
- снижен начальный уровень измерения расхода за счет повышения общего коэффициента усиления струйного генератора,
- снижены конструктивные требования к выполнению величины спрямляющих участков.