ДРОССЕЛЬНАЯ РАСХОДОМЕРНАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к расходометрии, а именно к средствам измерений расхода жидких и газовых сред с помощью дроссельных расходомеров.
Известна расходомерная установка (Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Энергия, 1978, с. 434-435), содержащая дроссель (сужающее устройство), установленный в трубопроводе, по которому протекает поток жидкости или газа. При протекании этого потока через сужающее устройство за счет частичного преобразования кинетической энергии в потенциальную на этом устройстве возникает разность давлений, которая измеряется датчиком разности давлений или дифференциальным манометром.
1
2
В общем случае массовый расход протекающей среды G является функцией разности давлений на сужающем устройстве (P-P) и плотности этой среды ρ:
Недостатком такой расходомерной установки является узкий динамический диапазон измерений, для расширения которого необходимо использовать специальные сужающие устройства (Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества веществ: Справочник: Кн. 1, СПб.: Политехника, 2002, с. 11-93).
Известна дроссельная расходомерная установка (Сажин С.Г. Средства автоматического контроля технологических параметров. СПб.: Издательство «Лань», 2014, с. 233-243), размещенная на трубопроводе и состоящая из входного и выходного патрубков, между которыми размещена нормальная камерная диафрагма, «плюсовая» и «минусовая» камеры которой подключены к соответствующим камерам датчика разности давлений, и вторичный прибор, подключенный к выходу датчика разности давлений.
С помощью этой установки массовый расход среды, протекающий по трубопроводу, определяется путем измерения разности давлений на нормальном сужающем устройстве, которая с помощью датчика разности давлений преобразуется, например, в унифицированный электрический сигнал, который, в свою очередь, измеряется миллиамперметром или потенциометром.
Для дроссельных расходомерных установок с нормальными сужающими устройствами зависимость между массовым расходом и разностью давлений на сужающем устройстве, например, для жидкой среды имеет вид:
где α - постоянный эмпирический коэффициент, называемый коэффициентом расхода, который рассчитывается по стандартизованным документам (ГОСТ 8.586.1-2005). Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств. Издательство Стандартинформ. М.: 2007 или Правила 28-64. Измерение расхода жидкостей газов и паров стандартными диафрагмами и соплами. Издательство госкомитета по стандартам, мерам и измерительным приборам СССР. М.: 1965.);
0
f - площадь отверстия сужающего устройства;
ρ - плотность среды перед сужающим устройством.
Значение α зависит от значения безразмерного критерия - числа Рейнольдса  (где µ - динамическая вязкость; k - постоянный коэффициент; D - диаметр трубопровода) и модуля сужающего устройства m, который определяется отношением (где d - диаметр отверстия сужающего устройства).
Обычно дроссельные расходомерные установки рассчитываются так, чтобы значения коэффициента расхода α оставалось бы постоянным как при минимальном, так и при максимальном значениях расходов. Такое условие выполняется при значении числа Рейнольдса большем, чем некоторые предельные значения. При меньших значениях числа Рейнольдса коэффициент α будет зависеть от расхода, а поэтому использовать для расчета расхода выражение (2) становится невозможным.
Задачей полезной модели является создание дроссельной расходомерной установки, способной работать в широком диапазоне значения расхода потока, протекающего по трубопроводу.
Технический результат - расширение динамического диапазона измерений дроссельной расходомерной установки.
Технический результат достигается тем, что дроссельная расходомерная установка, размещенная на трубопроводе состоит из входного и выходного патрубков, между которыми расположена нормальная камерная диафрагма, «плюсовая» и «минусовая» камеры которой подключены к соответствующим камерам датчика разности давлений, и вторичный прибор, подключенный к выходу датчика разности давлений. Согласно полезной модели установка дополнительно содержит нормальное камерное сопло, размещенное между дополнительными входным и выходным патрубками, «плюсовая» и «минусовая» камеры которого подключены к одноименным камерам датчика разности давления, при этом входные и выходные патрубки соединены между собой и с трубопроводом тройниками.
4
5
4
5
Такая конструкция обеспечивает возможность измерения расхода с помощью дроссельной расходомерной установки при значениях числа Re на порядок меньших, чем установка, взятая за прототип. Такая возможность определяется тем, что в диапазоне значений числа Рейнольдса от 10 до 2·10 при значениях модуля m, меньших 0,4, зависимость коэффициента расхода α при увеличении числа Re от 10 до 2·10 для нормальной диафрагмы уменьшается, а для нормального сопла увеличивается. Это позволит параллельно подключить нормальную диафрагму и нормальное сопло к одному и тому же датчику разности давлений или дифференциальному манометру (при соответствующем их расчете) и осуществлять измерения в указанном выше диапазоне измерений числа Re при постоянном значении коэффициента α, что не представляется возможным реализовать с помощью устройства, принятого за прототип.
По сравнению с прототипом заявляемая конструкция имеет отличительную особенность в совокупности элементов и их взаимном расположении.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где: на фиг. 1 - схема дроссельной расходомерной установки; на фиг. 2 - зависимость коэффициента расхода α от числа Re для нормальной диафрагмы; на фиг. 3 - зависимость коэффициента расхода α от числа Re для нормального сопла.
Дроссельная расходомерная установка размещена на трубопроводе 1 и состоит из входного 2 и выходного 3 патрубков, между которыми размещена нормальная камерная диафрагма 4, «плюсовая» 5 и «минусовая» 6 камеры которой подключены к «плюсовой» 7 и «минусовой» 8 камерам датчика 9 разности давлений, и вторичный прибор 10, подключенный к выходу датчика 9 разности давлений.
Дополнительно расходомерная установка содержит нормальное камерное сопло 11, размещенное между дополнительными входным 12 и выходным 13 патрубками. Причем «плюсовая» 14 и «минусовая» 15 камеры нормального сопла 11 подключены к одноименным камерам 9 датчика разности давления. При этом входные патрубки 2 и 12 соединены между собой и с трубопроводом 1 с помощью тройника 16. Аналогично выходные патрубки 3 и 13 соединены между собой и с трубопроводом 1 тройником 17.
Работа дроссельной расходомерной установки осуществляется следующим образом.
1
2
4
5
Поток жидкой или газообразной среды поступает в трубопровод 1 (на фиг. 1 направление потока показано стрелками) и через тройник 16 направляется во входные 2 и 12 патрубки, а затем к нормальной диафрагме 4 и нормальному соплу 11. Пройдя эти сужающие устройства, потоки по выходным патрубкам 3 и 13 и тройнику 17 направляются в трубопровод 1. При истечении потоков через нормальную диафрагму 4 и нормальное сопло 11, за счет преобразования части кинетической энергии в потенциальную на сужающих устройствах, возникают перепады давлений, которые при соответствующем расчете сужающих устройств равны между собой. Давления из «плюсовых» камер 5 и 14 и «минусовых» камер 6 и 15 поступают в «плюсовую» 7 и «минусовую» 8 камеры датчика 9 разности давлений. Выходной сигнал датчика 9 поступает на вход вторичного прибора 10. Зависимость между расходом и перепадом давления (P-P) для такой расходомерной установки описывается выражением 2, в котором коэффициент α будет оставаться постоянным даже при значениях числа Re, равных 10, в то время как в установке, взятой за прототип, Re остается постоянным при значении больше, чем 2·10. Это следует из известных зависимостей коэффициента α от числа Re, которые представлены на фиг. 2 и фиг. 3 соответственно, для нормальной диафрагмы и нормального сопла.
5
4
4
5
Действительно для значений модуля m<0,4 для нормальной диафрагмы коэффициент α увеличивается с уменьшением числа Re от 2·10 до 10 (см. фиг. 2), а для нормального сопла при этих же условиях коэффициент α уменьшается (см. фиг. 3). Поэтому параллельное подключение к одному датчику 9 разности давлений нормальной диафрагмы 4 и нормального сопла 11 и соответствующем их расчете можно добиться таких условий, при которых общий коэффициент расхода такого соединения будет оставаться постоянным в диапазоне значений числа Re от 10 до 2·10, что определяет возможность расширения динамического диапазона измерений дроссельной расходомерной установки практически на порядок.
Расчет, выполненный с использованием ГОСТ 8.586.1-2005. Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств. Издательство Стандартинформ. М.: 2007 или Правила 28-64. Измерение расхода жидкостей газов и паров стандартными диафрагмами и соплами. Издательство госкомитета по стандартам, мерам и измерительным приборам СССР. М.: 1965 для трубопроводов диаметром 50 мм, позволил установить, что предложенная дроссельная установка имеет динамический диапазон 15:1.
Преимуществами технического решения являются:
- простота конструкции;
- возможность существенного расширения динамического диапазона измерений дроссельных расходомерных установок;
- возможность измерения малых расходов и расходов вязких жидких сред без предварительной калибровки расходомерной установки.
Дроссельная расходомерная установка может найти широкое применение в промышленности для измерения расходов жидкостей и газов при малых значениях числа Рейнольдса.