ИНЕРЦИОННЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ И(ИЛИ) МАССОВОГО РАСХОДА ЖИДКОСТИ (ГАЗА)
INERTIA METHOD OF DETERMINING DENSITY AND (OR) MASS FLOW OF LIQUID (GAS)

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способу определения плотности и (или) массового расхода жидкостей (газов).
Уровень техники
Аналоги изобретения:
1. Вибрационные кориолисовые расходомеры (Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник. - 4-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, 1989, с.354).
Вибрационные кориолисовые расходомеры - расходомеры, в которых потоку жидкости (газа) сообщается знакопеременное ускорение Кориолиса. Устройства, основанные на этом принципе действия, получили широкое распространение. Данная группа устройств обеспечивает получение основного технического результата - возможность непосредственного измерения массового расхода вещества. Дополнительный технический результат - возможность измерения плотности вещества. Вместе с тем, аналоги по п.1 обладают существенными недостатками:
- для снижения погрешности измерений измерительный участок проточной части выполняют малого проходного сечения с тем, чтобы обеспечить высокую скорость среды. Это приводит к возникновению больших гидравлических потерь на перекачку среды;
- измерительный участок проточной части подвержен действию изгибных и крутильных колебаний при эксплуатации. Вследствие этого существенно усложняется конструкция измерительного прибора, ужесточаются требования при его изготовлении и увеличивается стоимость;
- вибрационный принцип действия подразумевает малую величину амплитуды колебаний измерительной трубки, вследствие этого измерительный прибор склонен к сбою в работе при измерении некоторых потоков измеряемой среды, например газожидкостных.
2. Перепадно-силовые расходомеры (Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник. - 4-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, 1989, с.360).
Перепадно-силовые расходомеры наиболее близки к заявляемому изобретению по принципу действия и также позволяют достичь основного технического результата - измерение массового расхода среды. Вместе с тем, аналоги по п.2 имеют существенный недостаток - зависимость показаний от вязкости и режима течения потока и, как следствие, повышенная погрешность измерения.
3. Устройство гидродинамического измерения плотности (Патент RU 2273016 С2).
Устройство гидродинамического измерения плотности, принцип действия которого основан на зависимости перепада давления, зависящего от расхода, плотности и вязкости среды.
Недостатки аналога:
- влияние расхода, плотности и вязкости среды на перепад давлений снижает точность измерения;
- в принцип измерения заложен квадратичный характер роста перепада давления с увеличением скорости, что может приводить к сужению диапазона измерений и к увеличению погрешности измерений;
- высокая техническая сложность и стоимость;
- низкая надежность устройства гидродинамического измерения плотности.
4. Статья «Об инерционном способе одновременного измерения массового расхода жидкости и ее плотности» (Е.В.Майоров, В.А.Онищук. Прикладная физика» №6-2005, с.18-23).
Данная разработка принята в качестве прототипа, так как по своему принципу действия наиболее близка к заявляемому изобретению. Общим для изобретения и прототипа является характер воздействия, оказываемого на измеряемую среду со стороны измерительного устройства, а именно воздействие, вынуждающее жидкость изменять свою скорость и свой массовый расход в соответствии с определенным заданным законом. В работе Б.В.Майорова и В.А.Онищука приведена принципиальная возможность определения массового расхода и плотности жидкости при помощи устройства, представляющего собой трубопровод с колеблющимися стенками. Показано, что для идеальной несжимаемой жидкости перепад давления, возникающий на участке трубопровода со стенками, совершающими колебания симметричные относительно продольной оси трубопровода, пропорционален массовому расходу и пропорционален плотности. Представлена схема, по которой может быть построен реально действующий образец измерительного устройства. Однако устройство по данному описанию обладает существенным недостатком: сложность практического осуществления. На практике сложно изготовить трубопровод с гибкими (податливыми) стенками, который мог бы совершать гармоническое колебание с изменением диаметра, особенно если по требованиям технологии необходимо чтобы трубопровод был изготовлен из металла. Описываемое изобретение позволяет устранить приведенный недостаток.
Раскрытие изобретения
Существующие на сегодняшний день аналоги ([1] и [3]), предназначенные для измерения плотности и массового расхода жидкой или газовой среды, обладают рядом достоинств, но помимо них и рядом недостатков и ограничений в применении. Расходомеры на эффекте Кориолиса, содержащие вибрирующие трубы (аналог [1]), выполняют функции измерения массового расхода и плотности. Недостатком таких приборов является возникновение большого перепада давлений, вызванного существенным сужением поперечного сечения потока при прохождении его сквозь вибрирующие трубы. Большой перепад давления приводит к увеличению стоимости эксплуатации трубопровода, поскольку на прокачку среды расходуется больше энергии, увеличивается нагрузка на насосы и прочее. Устройство гидродинамического измерения плотности среды (аналог [3]) также подразумевает наличие перепада давления, зависящего от расхода, плотности и вязкости среды. Кроме того, в принцип измерения, описанный в аналоге [3], заложен квадратичный характер роста перепада с увеличением скорости, что может приводить к увеличению погрешности измерений.
Описываемое изобретение является совершенно новым способом определения плотности и (или) массового расхода жидкостей (газов) и при реализации данного способа возможно получение следующих технических результатов:
- низкая величина гидравлических потерь давления;
- простота и надежность по сравнению с аналогами;
- возможность измерения не только однофазной однородной среды, а также смесей жидкости или газа с сыпучим продуктом (пульпа) или газожидкостных смесей.
Для раскрытия сути изобретения в части измерения плотности жидкостей (газов) рассмотрим и прокомментируем фиг.1.
осн
На фиг.1 показан прямой участок трубопровода длиной L с площадью поперечного сечения S, по которому протекает жидкость (газ), имеющая массовый расход , с плотностью ρ. Данный участок трубопровода 3 назовем основным трубопроводом. Параллельно основному трубопроводу подключен еще один трубопровод 5, назовем его дополнительным трубопроводом, в котором плотно установлен поршень 4, приводимый в движение от внешнего источника энергии.
Поршень совершает в дополнительном трубопроводе циклическое колебание по закону:
1
где x - координата поршня в дополнительной трубе, м;
А - амплитуда колебаний поршня, м;
-1
ω - круговая частота колебаний поршня, с;
t - текущий момент времени, с.
В точках подключения дополнительного трубопровода к основному выполнены камеры массообмена 1 и 2, обеспечивающие перемешивание жидкости (газа), движущейся по основному трубопроводу 3, с жидкостью (газом), выходящей из дополнительного трубопровода 5, или же выполняющие функцию отделения жидкости и забор ее части в дополнительный трубопровод.
Поскольку поршень 4 в дополнительном трубопроводе 5 совершает возвратно-поступательное движение, то каждая из камер поочередно выполняет функции смешения и разделения. Так, на первой фазе движения часть жидкости забирается из камеры 2 и подается в камеру 1. На второй фазе, когда поршень 4 изменит направление своего движения, часть жидкости будет забираться из камеры 1 и подаваться в камеру 2. Так как направление потока в дополнительном трубопроводе 5 и его скорость, задаваемые движением поршня 4, изменяются циклически, то таким же образом изменяется и продольная скорость жидкости в основном трубопроводе 3 на участке L. Изменение скорости означает наличие ускорения, что вызывает появление сил инерции, действующих на объем жидкости длиной L. Таким образом, давления жидкости в начале и в конце участка длиной L будут отличаться. Датчик разности давлений 6 (фиг.1) измеряет величину разности давлений, возникающей на длине L основного трубопровода 3.
Величина разности давлений пропорциональна плотности жидкости (газа) и ускорению поршня:
где Δp - измеренная разность давлений, возникающая на участке L, Па;
доп
2
S - площадь поперечного сечения дополнительного трубопровода, м;
ост
2
S - площадь поперечного сечения основного трубопровода, м;
3
ρ - плотность измеряемой среды (жидкость или газ), кг/м;
2
- ускорение поршня, м/с;
L - длина основного трубопровода, м.
Из формулы (2) выражаем плотность измеряемой среды:
3
где ρ - плотность измеряемой среды (жидкость или газ), кг/м;
Δp - разность давлений, возникающая на участке L, Па;
осн
2
S - площадь поперечного сечения основного трубопровода, м;
доп
2
S - площадь поперечного сечения дополнительного трубопровода, м;
L - длина основного трубопровода, м;
2
- ускорение поршня, м/с.
Таким образом, измерив разность давлений Δp, можем определить плотность жидкости (газов). Коэффициент пропорциональности между плотностью и перепадом давлений представляет собой комбинацию геометрических размеров устройства и ускорения поршня, т.е. величин, определяемых при градуировке и практически неизменных при эксплуатации.
Величина массового расхода измеряемой среды, движущейся по основному трубопроводу 3, не оказывает влияния на измеренное значение плотности.
Для раскрытия сути изобретения в части измерения массового расхода жидкости (газа) рассмотрим и прокомментируем фиг.2.
осн
На фиг.2 показан трубопровод 3 с площадью поперечного сечения S, по которому протекает жидкость (газ), имеющая массовый расход , с плотностью ρ. Данный участок трубопровода 3 назовем основным трубопроводом. Параллельно основному трубопроводу 3 подключен еще один трубопровод 5, назовем его дополнительным трубопроводом, в котором плотно установлен поршень 4, приводимый в движение от внешнего источника энергии.
Поршень 4 совершает в дополнительном трубопроводе циклическое колебание по закону:
1
где x - координата поршня в дополнительной трубе, м;
А - амплитуда колебаний поршня, м;
-1
ω - круговая частота колебаний поршня, с;
t - текущий момент времени, с.
1
2
1
2
В точках подключения дополнительного трубопровода 5 к основному трубопроводу 3 выполнены камеры массообмена 1 и 2 (фиг.2). Камера массообмена представляет собой участок основного трубопровода 3 с перфорированной (проницаемой) стенкой. Длина камеры массобмена 1 составляет L, камеры масообмена 2 - L. Датчиками разности давлений 6 и 7 (фиг.2) измеряется величина разности давлений, возникающая на длине камеры массообмена L и L. Таким образом, в процессе измерения в камерах массообмена будет происходить перемешивание жидкости (газа), движущейся по основному трубопроводу 3, с жидкостью (газом), выходящей из дополнительного трубопровода 5, или же отделение жидкости (газа) и забор ее части в дополнительный трубопровод 5.
Величина разности давлений, возникающая в каждой камере массобмена в процессе измерений, будет равняться:
1
1
где Δp - разность давлений, возникающая на участке L, Па;
3
ρ - плотность измеряемой среды (жидкость или газ), кг/м;
2
- ускорение поршня, м/с;
доп
2
S - площадь поперечного сечения дополнительного трубопровода, м;
1
L - длина камеры массообмена 1, м;
осн
2
S - площадь поперечного сечения основного трубопровода, м;
- массовый расход измеряемой среды (жидкость или газ), кг/с;
- скорость поршня, м/с;
2
2
Δp - разность давлений, возникающая на участке L, Па;
2
L - длина камеры массообмена 2, м;
1
2
Из формул (5) и (6) видно, что измерив разность давлений Δp или Δp, можем определить плотность и массовый расход жидкости (газа). Величины массового расхода и плотности жидкости (газа) можно получить из формул (5) и (6) при помощи математических вычислений.
1
2
Таким образом, для определения плотности и массового расхода жидкости (газа) либо только массового расхода или только плотности жидкости (газа) можно измерять оба перепада давлений Δp или Δp или какой-нибудь один из них, и затем при помощи математических вычислений, вычислить значения массового расхода  и плотности ρ жидкости (газа).
Осуществления изобретения
При изложении раздела Раскрытие изобретения подробно описан способ определения плотности и массового расхода жидкости (газа), а также принцип действия и конструкция.