Переключатель напорного потока для установок поверочных
PRESSURE FLOW SWITCH FOR CALIBRATION PLANTS

Изобретение относится к переключателям напорного потока, как основному узлу установок поверочных (далее - установок), применяемых, в частности, в расходометрии для регулирования и стабилизации расхода напорного потока жидкости при поверке рабочих средств измерения (преобразователей расхода, расходомеров, счетчиков, расходомеров-счетчиков). Конструкция переключателя потока в большинстве случаев включает в себя плоское сопло и исполнительное устройство, представляющий собой сдвоенный лоток, открытый сверху и снизу, разделенный посередине перегородкой -ножом. Геометрия расширяющейся части сопла образована входными плоскостями, где происходит уменьшение скорости потока жидкости и перестроение ее профиля скорости. Формирование тонкой плоской струи потока жидкости происходит в сужающейся части плоского сопла - щелевом наладке [1]. Плоская струя жидкости формируется в срезе щелевого насадка, которая имеет прямоугольную форму. Согласно рекомендациям [1], ширина плоской струи жидкости в срезе щелевого насадка превышает толщину струи от 15 до 50 раз.
Согласно исследованиям [2, 3] основными источниками неопределенности установок являются динамические факторы, обусловленные особенностью работы переключателя потока. Динамическими факторами, согласно терминологии [1], являются: степень заполнения потоком жидкости среза сопла, равномерный профиль скорости потока жидкости в срезе сопла, колебания расхода, температуры и давления жидкости в напорном трубопроводе. Проточная часть плоского сопла переключателя потока и кромка ножа перекидного устройства должны быть спроектированы таким образом, чтобы обеспечить истечение плоской струи потока жидкости с постоянным значением воспроизводимого расхода. Необходимо исключить разбрызгивание и утечку жидкости при переключениях.
В известном техническом решении (авторское свидетельство SU 473058 МПК G01F 25/00) переключатель потока жидкости снабжен подвижными заслонками, предназначенными для изменения площади его среза щелевого насадка в соответствии с величиной расхода жидкости. Подвижные створки предназначены для поддержания значения избыточного давления в пределах рабочего диапазона. Недостатком такого решения является внезапное изменение геометрии (сжатие, расширение) проточной части среза щелевого насадка (диафрагмирование) при прохождении потока жидкости через подвижные заслонки, что вызывает его дополнительную турбулизацию, формирование областей с застойными зонами в окрестности среза щелевого насадка, формирование неравномерного профиля скорости в срезе щелевого насадка, и увеличение расширенной неопределенности измерений при воспроизведении единиц массы и объема жидкости в потоке, массового и объемного расходов жидкости.
Недостатком другого известного технического решения (Описание полезной модели к патенту RU 92953 U1 МПК G01F 25/00) является неэффективная его сложность в следующих частностях. Плоское сопло переключателя потока разделено на два узла: формирователь потока с щелевым насадком и механизм переключения потока. Геометрия проточной части формирователя потока с щелевым насадком спроектирована таким образом, что напорный поток жидкости истекает из среза щелевого насадка в механизм переключателя потока. Поток жидкости становится безнапорным после выхода из среза щелевого насадка. Далее безнапорный поток жидкости не успевает стабилизироваться в проточной части механизма переключения потока. В срезе механизма переключателя потока не формируется равномерный профиль скорости жидкости. Неизменяемая геометрия проточной части механизма переключения потока с щелевым насадком не обеспечивает равномерное заполнение его (щелевого насадка) среза напорным потоком жидкости, особенно при малых величинах расходах. Безнапорный поток жидкости в проточной части механизма переключения потока дополнительно турбулизируется при больших величинах расхода жидкости. Данные недостатки не устраняются формирователем потока в виде последовательности поперечных перегородок, расположенных над подводящим трубопроводом. Исследования, выполненные в [3] показывают, что равномерный профиль скорости потока жидкости в каналах быть достигнут на определенном расстоянии после сетки, пластины с отверстиями или последовательно установленных поперечных перегородок (формирователя потока). Однако, поток жидкости многократно перестраивается из-за сложной геометрии проточной части формирователя потока и периодического изменения положения механизма переключения потока жидкости. Таким образом, в срезе щелевого насадка формируется нестационарный асимметричный профиль скорости потока жидкости [1, 2].
Недостатком является и то, что переключатель потока выполнен в закрытом исполнении, что не позволяет проводить работы с легко испаряющимися и пожароопасными жидкостями, ибо большинство из них не являются токопроводящими жидкостями. При их течении в закрытом пространстве они накапливают статическое электричество, что приводит к искрообразованию и пожароопасности. Кроме этого, закрытое исполнение не позволяет осуществлять в процессе переключения контроль над протечками, перетечками и разбрызгиваниями потока жидкости.
Наиболее близким по достигаемому результату является «Переключатель напорного потока расходомерной установки» (Описание полезной модели РФ, патент №46577, МПК G01F 25/00), содержащий перекидное устройство («исполнительное устройство» -терминология согласно ГОСТ 8.909-2016 «Государственная система обеспечения единства измерений. Вторичные эталоны единиц массового и объемного расходов, массы и объема жидкости. Основные метрологические и технические требования.») с разделительной перегородкой, подводящий трубопровод с щелевым насадком над этим перекидным устройством, механизм перемещения перекидного устройства, выполненный в виде цилиндро-поршневой пары, установленной на неподвижном основании, шток поршня которой шарнирно сочленен с перекидным устройством. Недостатком конструкции, в частности, представленной с щелевым насадком в виде прямоугольного четырехгранника вытянутого по горизонтали, т.е. состоящего из коротких и длинных неподвижных пластин, определяющих соответственно ширину и длину среза щелевого насадка и, как следствие, неизменяемую площадь среза щелевого насадка, является то, что не обеспечивается равномерное заполнение среза щелевого насадка при малых величинах расхода напорного потока, но вызывает дополнительную турбулизацию потока жидкости. В срезе щелевого насадка формируется нестационарный асимметричный профиль скорости потока жидкости, что приводит к увеличению расширенной неопределенности измерений при воспроизведении единиц массы и объема жидкости в потоке, массового и объемного расходов жидкости [1, 2].
Задачей настоящего изобретения является создание конструкции переключателя напорного потока с изменяемой геометрией проточной части и среза щелевого насадка, обеспечивающего равномерное заполнение его (щелевого насадка) среза потоком жидкости и уменьшение расширенной неопределенности измерений при воспроизведении единиц массы и объема жидкости в потоке, массового и объемного расходов жидкости.
Поставленная задача решается тем, что плоское сопло с щелевым насадком выполнено из коротких и длинных пластин, нижние кромки которых определяют соответственно ширину, длину и площадь среза щелевого насадка, торцы длинных пластин притерты торцевыми уплотнениями к внутренним поверхностям коротких пластин, верхние кромки длинных пластин снабжены продольным каналом круглого сечения в котором соосно и свободно располагается ось круглого сечения, на нижних кромках длинных пластин установлено симметрично по карданной спице, снабженной буртиком, реверсированным приводом с шайбой, набором калибров, каждый из которых может быть установлен на спице в зазор между шайбой и буртиком таким образом, что, при возвратно-поступательном перемещении нижних кромок длинных пластин вокруг оси и относительно нижних кромок коротких пластин под действием реверсивного привода, изменяется площадь среза щелевого насадка в соответствии с величиной расхода напорного потока жидкости.
На Фиг. 1 в обстановке установки изображен эскиз сечения переключателя напорного потока при максимальной ширине среза щелевого насадка плоского сопла равной 44 мм, при положении исполнительного устройства в предиспытательном режиме, т.е. в режиме установления постоянного расхода напорного потока жидкости.
На Фиг. 2 изображен вид плоского сопла с щелевым насадком по стрелке А.
На Фиг. 3 в обстановке установки изображен эскиз сечения переключателя напорного потока при максимальной ширине среза щелевого насадка плоского сопла равной 44 мм, при положении исполнительного устройства в режиме поверки (калибровки).
На Фиг. 4 в обстановке установки изображен эскиз сечения переключателя напорного потока при минимальной ширине среза щелевого насадка плоского сопла равной 8 мм, при положении исполнительного устройства в режиме поверки.
На Фиг. 5 изображен эскиз сечения А - А.
Установка включает в себя весовую емкость 1, буферную емкость 2, резервуар 3, насос 4, регулятор и указатель номинального расхода 5 напорного потока 6, поверяемое (калибруемое) средство измерений 7, подводящий патрубок 8 напорного потока 6, переключатель потока 9. Переключатель напорного потока 9 включает в себя исполнительное устройство 10 непосредственно над которым и непосредственно под подводящим патрубком расположено плоское сопло 11 состоящее из коротких 12 и длинных 13 пластин. Пластины 12 установлены неподвижно на основании (условно не показанным), их внутренние поверхности выполнены в виде гладких вертикальных плоскостей 14 параллельных друг другу «по вертикали» и «по горизонтали». Неизменное расстояние между плоскостями 14 определяет длину как пластин 13, так и среза 1Г щелевого насадка плоского сопла. Срез 11' щелевого насадка плоского сопла определяется в виде совокупности нижних кромок 15, 16 соответствующих пластин 12, 13. При этом пластины 13 подвешены внутри пластин 12 перпендикулярно к ним, каждая на оси 17 круглого сечения и на расстоянии между их внутренними плоскостями 18 равном максимальной ширине среза 11' щелевого насадка плоского сопла, например, 44 мм. Концы 19 осей 17 закреплены в соответствующих верхних кромках пластин 12. При этом, каждая ось соосно и свободно располагается в верхней кромке соответствующей пластины 13, выполненной в виде труб круглого сечения 20. Торцы 21 пластин 13 притерты, условно не показанными торцевыми уплотнениями, к внутренним поверхностям пластин 12. При этом, нижние кромки 16 пластин 13 имеют степень свободы перемещения в виде вращения вокруг оси круглого сечения 17. При соответствующем направлении вращения, происходит увеличение или уменьшение размера ширины среза 1Г щелевого насадка плоского сопла при сохранении притертости и непротекаемости в торцах 21. Для взаимного перемещения относительно друг друга, с целью установления ширины среза 11' щелевого насадка плоского сопла в пределах (например, от 44 мм до 8 мм) и, как следствие, установления площади среза 11' щелевого насадка, каждая из кромок 16 снабжена механизмом 22, выполненным в виде спиц 23,24 соединенных карданом 25 (механизм 22 одной из кромок 16 условно полностью не показан, а означен лишь отрезком спицы 23). Спица 23 перпендикулярно крепится к торцу 16 разъемным соединением 26. Спица 24 снабжена буртиком 27, реверсированным приводом 28 для ее продольного возвратно - поступательного перемещения, установленной на корпусе привода неподвижной шайбой 29, набором накидных калибров 30. Установление ширины среза 1Г щелевого насадка плоского сопла в диапазоне от 44 мм до 8 мм, осуществляется установлением на спице 24 в зазоре между буртиком 27 и шайбой 29 соответствующего калибра в диапазоне от 22 мм до 4 мм и последующей фиксацией этого калибра при движении осей 23, 24 реверсированным приводом 28.
Исполнительное устройство включает в себя ось качения 31 с восстановленным на ней перегородкой - ножом, в виде пластины 32, и снабженным лотками 33, 34 отводящими поток 6 из среза 11' щелевого насадка плоского сопла. На Фиг. 1 пластина 32 расположена в плоскости симметрии среза 11' щелевого насадка, что характеризует нейтральное положение исполнительного устройства. Поочередное сообщение лотка 33 или лотка 34 со срезом 11' щелевого насадка плоского сопла осуществляется известным механизмом перемещения исполнительного устройства, выполненным в виде цилиндро-поршневой пары, установленной на неподвижном основании, шток поршня которой шарнирно сочленен с исполнительным устройством, и условно не показанным.
Перед проведением поверки (калибровки) устанавливается площадь среза 11' щелевого насадка плоского сопла (посредством установки ее ширины), соответствующая номинальному расходу жидкости (устанавливаемому в соответствии программой поверки (калибровки)). С этой целью спицы 23, 24 реверсированными приводами 28 перемещаются в положение соответствующее, или большее, расчетной ширине среза 11' щелевого насадка плоского сопла (на приведенных Фиг. 1, Фиг. 3, Фиг. 4, - ход вправо). В каждый образовавшийся зазор между шайбой 29 и буртиком 27, на спицу 24 устанавливается и, при соответствующих реверсивных ходах приводов 28 (на приведенных Фиг. 1, Фиг. 3, Фиг. 4, - ход влево), зажимаются соответствующий калибр из набора накидных калибров 30 и, таким образом, фиксируются ширины среза 11' щелевого насадка плоского сопла и, как следствие, устанавливаются площади среза 11' щелевого насадка плоского сопла. Например, на Фиг. 1, Фиг. 3 отображены, для одной из кромок 16, относительные положения спиц 23, 24, буртика 27, шайбы 29, калибра 30 при максимальной ширине среза 11' щелевого насадка плоского сопла, 44 мм; при этом, ширина калибра 30 равна 22 мм. Например, на Фиг. 4 отображены для одной из кромок 16 относительные положения спиц 23, 24, буртика 27, шайбы 29, калибра 30 при минимальной ширине среза 11' щелевого насадка плоского сопла 8 мм; при этом, ширина калибра равна 4 мм. При этом, притертость торцов 21 к плоскостям 14 обеспечивает герметичность в торцах 21.
Далее, установление номинального расхода жидкости осуществляется при ее циркуляции по контуру: резервуар 3, насос 4, регулятор и указатель номинального расхода 5, поверяемое средство измерений 7, подводящий патрубок 8, щелевой насадок 11 плоского сопла (с выше установленным калибром его среза), лоток 33 в положении на Фиг 1, буферная емкость 2, резервуар 3. При этом по указателю 5 контролируется стабильность расхода напорного потока 6.
Поверка (калибровка) средства измерений проводится при стабильном расходе напорного потока 6. При этом, напорный поток 6 (из резервуара 3 с помощью насоса 4 через регулятор и указатель номинального расхода 5, поверяемое (калибруемое) средство измерений 7, подводящий патрубок 8, щелевой насадок 11 плоского сопла, лоток 34 в положении на Фиг 3, Фиг 4) поступает в весовую емкость 1, оснащенную тензометрическими датчиками 35 для методического определения величины расхода жидкости в качестве эталонной по отношению к величине расхода жидкости по поверяемому (калибруемому) средству измерений 7. После каждого замера величины расхода жидкости, содержимое весовой емкости через кран 36 сливается в резервуар 3. В результате прохождения потока жидкости через установленную площадь среза 11' щелевого насадка плоского сопла обеспечивается равномерное заполнение им среза 11' щелевого насадка плоского сопла по ее длине и ширине и его стабилизация при его малых и повышенных расходах, т.е. в широком диапазоне величины его расхода и, как следствие, обеспечивается значение расширенной неопределенности измерений установки при воспроизведении единиц массы и объема жидкости в потоке, массового и объемного расходов жидкости, а сопоставление эталонной величины расхода с величиной расхода по поверяемому (калибруемому) средству измерений 7 позволяет определить действительные метрологические характеристики поверяемого (калибруемого) средства измерений.
M
M
M
3
3
Влияние изменяемой геометрии проточной части и площади среза щелевого насадка плоского сопла, обеспечивающие равномерное заполнение среза потоком напорной жидкости на расширенную неопределенность измерений установки при воспроизведении единиц массы и объема жидкости в потоке, массового и объемного расходов жидкости представлено в виде графической зависимости Q = ƒ(U (Q)) (Фиг. 6). Исследования выполнены методом передачи единиц сличением при помощи эталона сравнения при воспроизведении единицы массового расхода воды в диапазоне Q = 25 - 300 т/ч (м/ч). Метод сличения при помощи эталона сравнения включает в себя: 1) определение метрологических характеристик: исследование эталона сравнения; сличения с исследуемой установкой; повторное исследование эталона сравнения; 2) расчет расширенной неопределенности. Эталоны сравнения представляют собой высокоточные средства измерений, как правило кориолисовые расходомеры. Комплект эталонов сравнения, примененный в данном исследовании, входит в состав государственного первичного специального эталона ГЭТ 63-2019 [5] (Приказ Госстандарта №3394 от 27.12.2019) в соответствии с Государственной поверочной схемой для средств измерений массы и объема жидкости в потоке, объема жидкости и вместимости при статических измерениях, массового и объемного расходов жидкости (далее - ГПС) (введена в действие с 1 марта 2018 г. - Приказ Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 7 февраля 2018 г. №256). Эталонные установки, входящие в состав ГЭТ 63-2019, обеспечивают воспроизведение единиц массы и объема жидкости в потоке, массового и объемного расходов жидкости в диапазоне значений массового и объемного расходов жидкости от 0,01 до 2000 т/ч (м/ч). Стандартные неопределенности и а и ив эталонных установок ГЭТ63-2019, оцененные по типу А и по типу В, не превышают значений
-3
-4
P
2,98⋅10% и 1,76⋅10% соответственно, при 11 независимых измерениях и доверительной вероятности Р=0,95. Расширенная неопределенность U эталонных установок ГЭТ 63-2019 находится в диапазоне от 0,030% до 0,036% при коэффициенте охвата k = 2.
M
M
M
M
ВЭ
M
M
M
M
M
M
M
M
пр
об
Установлено, что при максимальном значении ширины среза плоского сопла b = 0,085 м при значениях Q ≤ 200 т/ч увеличиваются значения U (Q) во всем диапазоне исследованного расхода жидкости Q. Полученные значения, расширенной неопределенности измерений установки превышают значение расширенной неопределенности измерений для вторичного эталона при воспроизведении единицы массового расхода жидкости U(Q) = 0,05% (k = 2, Р = 0,95) согласно ГПС. Изменяя геометрию среза плоского сопла (уменьшая ширину среза плоского сопла b < 0,085 м) можно значительно снизить значение U (Q). Например, для точки массового расхода Q = 200 т/ч при b = 0,045 м значение U (Q) = 0,012%, а для Q = 150 т/ч - U (Q) = 0,004%,. Значительное снижение величины U(Q) в исследованном диапазоне массового расхода Q при уменьшении ширины среза плоского сопла b объясняется минимизацией влияния основных источников неопределенности, обусловленных динамическими факторами. В данном случае, во всем диапазоне исследованного массового расхода Q удалось обеспечить заполнение среза плоского сопла водой. Кроме этого, при уменьшении ширины среза плоского сопла b уменьшаются интервалы времени переходного процесса при прямом τ и обратном τ ходах переключателя потока.
M
M
M
Необходимо обратить внимание, что использование в конструкции установки переключателя потока с изменяемой геометрией среза щелевого насадка плоского сопла позволило сократить интервал времени измерений в зависимости от значения массового расхода Q. Например, для значений массового расхода Q = 25 т/ч сокращение интервала времени измерений % достигло 2 раз, для значения Q = 300 т/ч - 0,4 раза. Это в свою очередь позволит значительно сократить процесс поверки (калибровки) средств измерений методом непосредственного сличения с установкой. Сокращение числа весовых устройств, снижение металлоемкости и габаритов позволит снизить конечную стоимость установки, и улучшить конкурентоспособность на рынке Российской Федерации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. ISO 4185. Измерение потока жидкости в закрытых каналах. Метод взвешивания. Measurement of liquid flow in closed conduits. Weighing method // Зарегистрировано ВНИИКИ Госстандарта России. 29.09.2003. 680/ISO.
2. Engel R., Beyer K., and Baade H.-J. Design and realization of the high-precision weighing systems as the gravimetric references in PTB's national water flow standard // Measurement Science and Technology. 2012. Vol.23. No. 7. Paper no. 074020. DOI: 10.1088/0957-0233/23/7/074020.
3. Korneev R. A., A. R. Tukhvatullin, V. A. Fafurin, A. V. Shchelchkov. Assessment of influence of flow diverter on the metrological characteristics of calibration devices used for the units of mass and unit of volume of a liquid in a flow and of mass and volume discharges of liquid II Measurement Techniques. 2019. Vol.62. No. 4. Pp 347-353. DOI 10.1007/s11018-019-01628-8.
4. Гаршин П.А., Хуснутдинов Ш.Х., Никифоров А.Н., Карсалова Н.А. Проведение НИР по возможности создания установки переменных расходов // Отчет о НИР. Рег №. 0186.0046966. Казань, 1987. 128 с.
5. Tukhvatullin A.R., Shchelchkov A.V., Fafurin V.A. Get 63-2019: State Primary Special Standard of Units of Mass and Volume of Liquid in a Flow and of Mass and Volume Flow Rates of a Liquid // Measurement Techniques, 2021. Vol.64. No.2. Pp. 79-85. 10.1007/s11018-021-01900-w