ЗОНДОВЫЙ ВИХРЕВОЙ 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.
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 тензо- или пьезоэлементов, 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 к частоте полезного сигнала, что практически исключает возможность использования данной конструкции датчика. Известная конструкция расходомеров для больших диаметров трубопроводов весьма материалоемка. Применение таких расходомеров на подобных трубопроводах из-за повышенной погрешности измерения при больших размерах корпусов и каналов ограничено. К тому же велика трудоемкость монтажа, наладки, поверки, замены.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) к заявляемому решению 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 канале 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.
Практика длительной эксплуатации этих расходомеров показала, что причиной, если не основной, повышенной погрешности измерения являются вибрации присоединенных к датчику масс (трубопроводы, стояки и т.п.), в том числе внешние кратковременные воздействия в виде ударов [3].
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 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, корпус преобразователя расхода выполнен с прямоугольным (в плане) измерительным окном-каналом, в котором размещено трапецеидальное тело обтекания, нижний конец которого жестко закреплен в нижней части корпуса преобразователя расхода, два пьезочувствительных элемента, электрически соединенных проводниками с вычислительным блоком, в верхнюю часть корпуса преобразователя расхода дополнительно встроена цилиндрическая вставка с двумя сквозными отверстиями для размещения в них заподлицо с нижней поверхностью цилиндрической вставки (верхней поверхностью измерительного окна-канала) соответственно двух пьезочувствительных элементов, с возможностью непосредственного контактирования с измеряемой средой и расположенных симметрично относительно продольной осевой линии тела обтекания за верхним его концом по ходу потока, причем, сверху цилиндрическая вставка выполнена с кольцевой отбортовкой, поверхность которой сопряжена с корпусом преобразователя расхода, скреплена с последним сварным швом, с гарантированным зазором (Δ), определяемым размером отбортовки.
Двугранные углы (γ) на нижней и верхней поверхностях измерительного окна-канала при входе и выходе потока выполнены острыми, а на обеих боковых стенках измерительного окна-канала по входу потока выполнены фаски.
Между торцевой поверхностью верхнего конца тела обтекания и верхней поверхностью измерительного окна-канала организован зазор (h).
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 фиг.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. Корпус 7 (смотри фиг.2) преобразователя расхода 1, выполнен с прямоугольным (в плане) измерительным окном-каналом 8, в котором размещено трапецеидальное тело обтекания 9, нижний конец которого жестко закреплен в теле корпуса 7 преобразователя расхода 1. В верхнюю часть корпуса 7 преобразователя расхода встроена цилиндрическая вставка 10 с двумя сквозными отверстиями (на чертеже не пронумерованы), в которых размещены заподлицо с нижней поверхностью цилиндрической вставки (с верхней поверхностью измерительного окна-канала) соответственно два пьезочувствительных элемента 11, электрически соединенные проводниками 12 с вычислительным блоком 2, с возможностью непосредственного контактирования с измеряемой средой и расположенные симметрично относительно продольной осевой линии тела обтекания 9 за верхним его концом по ходу потока. Цилиндрическая вставка 10 сверху выполнена с кольцевой отбортовкой 13, поверхность которой сопряжена с корпусом 7 преобразователя расхода 1, скреплена с последним сварным швом 14, с гарантированным зазором (Δ), определяемым размером отбортовки. Пьезочувствительные элементы 11 сверху (со стороны проводников 12) зафиксированы (поджаты) резьбовыми элементами 15.
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 16 (смотри фигуры 3 и 4). Полая штанга 5 (по низу) жестко соединена с верхней частью корпуса 7 преобразователя расхода 1 с помощью резьбовой накидной втулки 17 (смотри фигуру 1).
Между торцевой поверхностью верхнего конца тела обтекания и верхней поверхностью измерительного окна-канала организован зазор (h).
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 11, 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 гидравлических 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 может быть решена 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) за счет изменения 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 ω 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]: (2)
где k - коэффициент упругости системы;
β - коэффициент затухания;
m - масса системы.
Из определения добротности колебательной системы следует (формула 1), 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 датчика расхода (смотри фигуру. 1) предусмотрены три ступени виброзащиты конструкционного способа демпфирования:
1. жесткое крепление полой штанги 5 (по верху) с помощью накидной гайки (на чертеже не показана) в узле 6 герметизации;
2. крепление низа 3 полой штанги к внешней резьбе верхней части корпуса преобразователя 7 с помощью резьбовой накидной втулки 17 (смотри фиг.2);
3. подвеска (развязка) пьезочувствительных элементов 11 (смотри фиг.2), помещенных в сквозные отверстия цилиндрической вставки 10, скрепленной сверху с корпусом преобразователя 7 посредством сварного шва 14 с одновременной фиксацией гарантированного зазора (Δ).
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.
Введение в конструкцию зондового вихревого датчика расхода зазора (h) между торцевой поверхностью верхнего конца тела обтекания 9 (смотри фиг.2) и верхней поверхностью измерительного окна-канала 8 обусловлено необходимостью в максимальной степени разгрузить цилиндрическую вставку с размещенными в ней чувствительными элементами от влияния посторонних возмущений, в том числе и от колебаний корпуса преобразователя расхода, соединенного с основным источником возмущающих колебаний - трубопроводом.
По своей сути конструкция зондового вихревого датчика расхода представляет собой тело обтекания (корпус преобразователя 7, подвешенный
на полой штанге 5), за которым 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 также является причиной возникновения дополнительной погрешности измерения расхода измеряемой среды. Эффект от введения в конструкцию острых кромок (смотри фиг.4) на нижней и верхней поверхностях измерительного окна-канала в виде острых двугранных углов (у) можно объяснить на примере обтекания пластинки, установленной вдоль течения [8]. В этом случае вдоль пластинки возникает пограничный слой измеряемой среды, поперечные размеры которого увеличиваются вдоль течения. Именно пограничный слой и является, в конечном счете, причиной образования завихренности потока [9]. Острые кромки в виде двугранного угла 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), так и нижней поверхностях измерительного окна-канала, а, следовательно, и его отрыв.
Фаски 16 на боковых стенках измерительного окна-канала 8 также способствуют плавному входу потока в измерительный канал (смотри фигуру.3).
Введение в конструкцию зондового вихревого датчика расхода острых кромок, сформированных на нижней и верхней поверхностях измерительного окна-канала в виде острых двугранных углов (γ) и фасок 14 (смотри фигуры 3
и 4), способствует формированию ламинарного пограничного слоя [8], что создает благоприятные условия для работы пьезочуствительных элементов 11.
Требуемый технический результат обеспечен наличием в совокупности существенных признаков (характеризующих предлагаемую конструкцию датчика расхода) вышеуказанных отличительных признаков, а необнаружение в общедоступных источниках патентной и технической информации эквивалентных технических решений с теми же свойствами при несомненной промышленной применимости заявляемого объекта предполагает его соответствие критериям «полезной модели», и предполагает правовую защиту соответствующим охранным документом (патентом) РФ.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ, ПРИНЯТЫЕ ВО ВНИМАНИЕ ПРИ СОСТАВЛЕНИИ ОПИСАНИЯ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ:
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);
9. Марсден Дж. Е., Чорин А. - Математические основы механики жидкости. - М.-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2004. -204 с.(стр.92, 93).