ДАТЧИК ПЛОТНОСТИ ГАЗА В ТРУБОПРОВОДЕ

Полезная модель относится к области контроля физико-химических свойств газов на технологических потоках, а именно, к устройствам измерения плотности газов непосредственно в трубопроводах.
Известен датчик плотности газов в трубопроводе (Кивилис С.С. Плотномеры. М.: Энергия. 1980. с.252), содержащий измерительную головку, вводимую радиально в трубопровод с контролируемой средой. Измерительная головка содержит тонкую прямоугольную пластину, закрепленную в узловых точках, так что ее плоскость параллельна оси трубопровода. Пластина совершает незатухающие колебания на резонансной частоте, возбужденные соленоидной катушкой с помощью схемы положительной обратной связи с электронным усилителем. Частота этих колебаний служит мерой плотности газа.
Недостатком такого датчика плотности является нелинейность статической характеристики и зависимость сигнала от статического давления в трубопроводе.
Наиболее близким по технической сущности является датчик плотности газа в трубопроводе (Фарзане Н.Г. и др. Технологические измерения и приборы. М: Высшая школа. 1989. - с.280. рис.10.3б), содержащий турбулентный дроссель с входным и выходным каналами и преобразователь разности давлений на этом дросселе. Этот датчик подключается параллельно технологическому трубопроводу. Поэтому в нее сохраняется давление и температура, равными давлению и температуре в трубопроводе. С помощью электромеханического побудителя расхода, которым служит вентилятор, приводимый в движение синхронным двигателем взрывобезопасного исполнения, создается постоянный объемный расход анализируемого газа и измеряется разность давлений на турбулентном дросселе, который размещен на пути потока газа, создаваемого побудителем расхода. Для измерения разности давления используется преобразователь разности давления, сигнал которого несет информацию о плотности газа в трубопроводе, т.е. в рабочих условиях.
Недостатком такого датчика является его сложность, а именно, необходимость использования синхронного двигателя взрывобезопасного исполнения и вентилятора.
Задачей полезной модели является упрощение конструкции датчика плотности газов в трубопроводе.
Технический результат - исключение подвижных элементов и устройства, требующих взрывобезопасного исполнения.
Технический результат достигается тем, что датчик плотности газа в трубопроводе, содержащий турбулентный дроссель с входным и выходным каналами и преобразователь разности давлений на этом дросселе, согласно полезной модели он дополнительно содержит основание, ламинарный дроссель, размещенный во входном канале турбулентного дросселя, преобразователь разности давлений на ламинарном дросселе, преобразователь температуры газа в трубопроводе, трехвходовое вычислительное устройство и цилиндрическую крышку, установленную на верхней плоскости основания и образующую с основанием замкнутую камеру, в которой размещены преобразователь разности давлений на турбулентном и ламинарном дросселях и трехвходовое вычислительное устройство, при этом основание выполнено в виде диска с возможностью установки его на вертикальном патрубке трубопровода, на нижней плоскости которого и перпендикулярно к этой плоскости укреплена металлическая пластина, в центре которой выполнено сквозное отверстие, выходной канал турбулентного дросселя установлен в сквозном отверстии пластины с возможностью расположения оси турбулентного дросселя параллельно оси трубопровода, входного канала в области большего, а выходного канала в области меньшего давлений, кроме того, выходы преобразователей разности давлений на турбулентном и ламинарном дросселях и преобразователя температуры газа в трубопроводе подключены к входам вычислительного устройства.
Такая конструкция датчика плотности газа в трубопроводе позволяет измерять плотность газа в рабочих условиях без использования подвижных элементов и взрывоопасных устройств за счет непрерывного измерения разностей давлений на ламинарном и турбулентном дросселях, возникающих за счет протекания через них потока анализируемого газа, который создается за счет установки в трубопроводе перпендикулярно потоку газа пластины. Непрерывное измерение перепадов давлений на названных дросселях позволяет при любых расходах анализируемого газа через них с помощью вычислительного устройства определять плотность газа в рабочих условиях при постоянной вязкости газа, а для учета возможных изменений вязкости от температуры в датчике предусмотрено использование измерительного преобразователя температуры и коррекции по его сигналу результатов расчета плотности.
По сравнению с прототипом заявляемая конструкция имеет отличительную особенность в совокупности элементов и их взаимном расположении.
Схема датчика плотности газа в трубопроводе показана на фиг.1.
Датчик плотности газа в трубопроводе содержит турбулентный дроссель 1 с входным 2 и выходным 3 каналами и преобразователь 4 разности давлений на этом дросселе 1. Датчик также содержит основание 5, ламинарный дроссель 6, размещенный во входном канале 2 турбулентного дросселя 1, преобразователь 7 разности давлений на ламинарном дросселе 6, преобразователь 8 температуры газа в трубопроводе 9, трехвходовое вычислительное устройство 10 и крышку 11, установленную на верхней плоскости 12 основания 5 и образующую с основанием 5 замкнутую камеру 13. Основание 5 выполнено в виде диска с возможность установки его на вертикальном патрубке 14 трубопровода 9. На нижней плоскости 15 основания 5 и перпендикулярно к этой плоскости 15 укреплена металлическая пластина 16, в центре которой выполнено сквозное отверстие 17. Выходной канал 3 турбулентного дросселя 1 установлен в этом отверстии 17 так, что его ось 18 расположена параллельно оси 19 трубопровода, при этом входной канал 2 турбулентного дросселя 1 размещен в области с большим, а выходной канал 3 - в области с меньшим давлением. Выходы преобразователей 4 и 7 разности давлений на ламинарном и турбулентном дросселях 1 и 6 и преобразователя 8 температуры подключены к трехвходовому вычислительному устройству 10.
Л
Т
Датчик плотности газа в трубопроводе работает следующим образом. При протекании по трубопроводу 9 потока газа на металлической пластине 16 возникает перепад давлений, причем область с большим давлением располагается до пластины 16 по потоку, область с меньшим давлением - после пластины 16 по потоку (направление протекания потока на фиг.1 показано стрелкой). Под действием этой разности давлений возникает расход Q газа через последовательное соединение ламинарного 6 и турбулентного 1 дросселей. При этом возникающие перепады давлений на ламинарном Δp и турбулентном Δp. дросселях 6 и 1 измеряются преобразователями 7 и 4 разности давлений. Сигналы этих преобразователей посылаются в вычислительное устройство 10. В это устройство также посылается сигнал от преобразователя 8 температуры газа в трубопроводе.
При малых разностях давлений зависимости между объемными расходами и разностями давлений на ламинарном и турбулентном дросселях 6 и 1 имеют вид:
,
,
Л
где Q - объемный расход газа через ламинарный дроссель 6;
T
Q - объемный расход газа через турбулентный дроссель 1;
Л
K - постоянный коэффициент, зависящий от параметров ламинарного дросселя (капилляра);
T
К - постоянный коэффициент, зависящий от параметров турбулентного дросселя (диафрагмы);
η - динамическая вязкость газа;
ρ - плотность газа.
Из выражений (1) и (2) находим:
,
где  - постоянный коэффициент.
Выражение (3) является алгоритмом работы вычислительного устройства 10. Оно сохраняется при всех значениях расхода анализируемого газа.
Для исключения влияния на результат измерений изменения температуры газа в трубопроводе в датчике используется коррекция по этому параметру для чего применяется известная зависимость вязкости газа от температуры (формула Сутерленда) [Мурзаков В.В. Основы теории и практики сжигания газа в паровых котлах. М. - Л.: Изд-во Энергия. 1964. - с.27]:
,
где c - безразмерный эмпирический коэффициент;
Т - абсолютная температура газа.
Преимущество предлагаемого технического решения:
- простота конструкции;
- отсутствие подвижных механических элементов и взрыво - пожароопасных устройств.
Датчик плотности газа может быть реализован на базе стандартных преобразователей разности давлений и средств вычислительной техники.
Датчик может найти применение на газопроводах нефтеперерабатывающей, нефтехимической, газодобывающей отраслей промышленности.