ТУРБИННО-ИНДУКТИВНЫЙ РАСХОДОМЕР
TURBINE-INDUCTIVE FLOW METRE

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения расхода (количества) движущихся жидкостей и газов (рабочих тел), приводящихся в движение потоком этих тел, а более конкретно в магистралях высокого давления (свыше 50 МПа).
Известен расходомер, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, турбину с лопатками, закрепленный жестко в корпусе стакан, в котором размещены залитые для изоляции полимерным компаундом датчик с магнитным сердечником и индуктивной катушкой. В днище стакана закреплена мембрана в виде промежуточной перегородки, отделяющей датчик от рабочего тела (среды).
При вращении турбины движением рабочего тела (жидкости или газа), каждая лопатка наводит в катушке ЭДС, то есть каждая лопатка подает импульс. Частота изменения ЭДС будет соответствовать частоте вращения турбины, катушка связана с счетчиком расхода протекающего рабочего тела (см. паспорт расходомера г.Ливны, Орловская обл., Ливненский з-д жидкостных счетчиков).
В соответствии с паспортными данными этот расходомер гарантированно работает в измеряемой магистрали под давлением не более 6 МПа. При большем давлении стакан выдавливает, а при увеличении толщины стенок стакана и, следовательно, разделительной мембраны, ослабевает магнитный поток, воспринимаемый сердечником, и глубина модуляции сигнала, что искажает точность измерения.
Известен другой расходомер, содержащий индуктивный датчик, который устанавливается в несквозное отверстие, проделанное в корпусе расходомера, таким образом, что между рабочей средой и датчиком остается перегородка, которая защищает датчик от воздействия рабочей жидкости. Причем данное отверстие располагается напротив лопатки турбины, которая в свою очередь размещена в тонкостенной втулке, создающей калиброванный зазор между лопатками и внутренней стенкой корпуса.
В образованное отверстие корпуса вмонтирован индуктивный датчик с сердечником особой конструкции, который в месте контакта с перегородкой имеет форму конуса основанием, обращенным к лопаткам турбины.
Недостатком данной конструкции является то, что основание конуса сердечника находится на значительном расстоянии от лопаток турбины, складывающимся из зазора между основанием конуса и перегородкой корпуса, толщиной перегородки, зазором между перегородкой и втулкой турбины, толщиной втулки и диаметральным зазором между лопатками турбины и втулкой.
Все перечисленные зазоры и препятствия ослабляют сигнал, поэтому необходимо его мощное усиление, в свою очередь, увеличение давления рабочей среды требует повышения прочности перегородки за счет роста ее толщины, а это требует еще большего усиления сигнала. В конечном итоге при работе на давлениях более 40 МПа рост толщины перегородки приводит к неконтролируемому снижению помехозащищенности прибора в целом, так как на него начинают воздействовать любые, находящиеся по близости предметы из ферромагнитных материалов.
Данное обстоятельство ограничивает давление в измеряемой рабочей среде до 40 МПа. Руководство по технической эксплуатации ТПР7-ТПР20, стр.8 и 9, рис.2 и 3, Арзамасский приборостроительный завод.
Перечисленные недостатки свойственны и роликолопастному расходомеру. Его внутренний объем ограничен торцевыми крышками корпуса, а внутри его объема выполнена диаметральная перемычка, формирующая рабочую камеру с турбиной и дополнительную, изолированную от рабочей камеры, камеру с воспринимающим элементом в виде крыльчатки. Крыльчатка при вращении прерывает импульсно-магнитный поток воспринимающего элемента, в виде датчика частоты вращения ротора. Разделительная толщина стенки до 1 мм, плюс зазор от стенки до лопаток крыльчатки - 1,5 мм. Датчик вмонтирован в торец крышки. Таким образом, усилен корпус расходомера, но снижена чувствительность датчика и, естественно, точность его измерения (патент РФ № 2224985, G01F 3/06, G01F 3/08, 16.11.2000).
Ближайшим техническим решением по совокупности признаков и функционального назначения является расходомер, содержащий корпус с калиброванным каналом и отверстиями для подвода и отвода рабочего тела (жидкости или газа), в котором размещена турбинка с ободами. В корпусе выполнена паразитная камера, сообщающаяся с калиброванным каналом через два отверстия, выполненных в днище камеры.
В камере установлен стакан (чаша), в котором установлен датчик в виде индуктивной катушки с сердечником из магнитного материала и в виде коромысла смонтирована качающаяся на оси магнитная пластинка, концы которой расположены напротив упомянутых отверстий. Сердечник контактирует с рабочим телом. Катушка связана электрически со счетчиком импульсов (патент РФ № 2029243, G01F 3/10, 1990). Известный расходомер, принятый за прототип, обладает" недостатками в виде:
- сложности конструкции, обусловленной дополнительной паразитной камерой и качающейся магнитной пластинкой в виде коромысла, сложной турбинкой с противоположно расположенными выборками;
- паразитная камера и поочередно открывающиеся и закрывающиеся отверстия создают эффект обтекания части потока не по винтовой поверхности турбинки и, также, создает турбулентность в течение жидкости, приводящие к неконтролируемой погрешности, что негативно влияет на точность измерения;
- применение магнитных материалов для сердечника и коромысла приводит к их магнитному залипанию, а для их размыкания требуется дополнительное усилие, которое может быть получено только за счет увеличения центробежных сил, создаваемых турбинкой, это потребует увеличения объема потока, то есть измерение малых расходов становится невозможным;
- при высоких оборотах турбинки возможно не срабатывание системы коромысло-сердечник как механической системы с эффектом механической инерции, так и гидравлической системы с эффектом гидравлической инерции в паразитной камере.
В целом данная система может рассматриваться как гидромеханический колебательный контур и при пульсирующих нагрузках возможно возникновение негативных резонансных явлений.
Из описания видно, что поперечное основание сечения стакана (чаши) соответствует длине турбинки, а его площадь многократно превышает площадь сердечника, что исключает возможность применения данной конструкции расходомера в системах измерения с высоким давлением рабочего тела.
В основу настоящего изобретения поставлена задача создания расходомера для измерения расхода жидкости или газа (рабочего тела), движущихся с высоким давлением, свыше 50 МПа, в магистральных трубопроводах, повышение надежности его работы и точности измерения за счет сокращения промежуточных звеньев в магнитопроводной цепи сердечник - катушка.
Поставленная задача достигается тем, что в расходомере используется турбинно-индуктивный принцип работы. Конструктивно - это турбинно-индуктивный расходомер, содержащий корпус с калиброванным каналом и отверстиями подвода и отвода рабочего тела, размещенную в нем турбину, индуктивный датчик, включающий сердечник, катушку индуктивности и счетчик импульсов.
Новизна заключается в том, что сердечник вмонтирован непосредственно в стенку корпуса насквозь, с минимальным диаметральным зазором к периферии винтовых выступов турбины, с учетом термовязкостных характеристик и степени фильтрации рабочего тела. Индуктивная катушка размещена вне корпуса, охватывая выступающую над корпусом часть сердечника и снабжена усилителем-формирователем сигнала, взаимосвязанного с индуктивной катушкой и счетчиком импульсов, при этом корпус расходомера и сердечник изготавливают из материалов, значительно отличающихся друг от друга магнитной проницаемостью, а диаметр сердечника берется многократно меньше толщины корпуса расходомера и меньше шага между одноименными витками.
Другим отличием является то, что сердечник вмонтирован в стенку корпуса с возможностью его регулировочного перемещения, например, посредством резьбового соединения, а турбина имеет многозаходный винтовой профиль.
Согласно изобретению сердечник может иметь антикоррозионную защиту.
Конструкция поясняется чертежом расходомера в разрезе.
Расходомер содержит корпус 1 с калиброванным каналом 2 и рассекателями потока 3 и 4, отверстиями для отвода 5 и подвода 6 рабочего тела. Внутри корпуса 1, в рассекателях 3 и 4 на подшипниках 7 смонтирована турбина 8, образуемая барабаном 9 и винтовыми выступами 10 на нем. Турбина может быть и лопастной.
Насквозь в стенку корпуса вмонтирован сердечник 11, который может иметь различные варианты соединения с корпусом: сваркой, пайкой, запрессовкой, резьбой с возможностью регулировки, например, с помощью микрометрической резьбы, как показано на чертеже.
Сердечник 11 с катушкой 12 образует индуктивный датчик. Над катушкой 12 может быть установлен постоянный магнит 13, жестко связанный с сердечником 11 для повышения чувствительности посредством подмагничивания последнего. Постоянный магнит создает более мощное постоянное магнитное поле, что в свою очередь, увеличивает глубину модуляции получаемого сигнала при прохождении винтовыми выступами одноименных витков турбины мимо сердечника.
Вместо магнита может быть использовано подмагничивание катушки постоянным током, либо применена дополнительная катушка.
Концевая часть 14 сердечника 11, погруженная в рабочее тело 2, может иметь различную конфигурацию: конусообразную, как показано на чертеже, с плоским торцем или концом по форме, адекватным винтовому выступу 10 турбины 8. Диаметр сердечника берется многократно меньше толщины корпуса расходомера и меньше шага между вершинами одноименных винтовых выступов одноименных витков.
Сердечник 11 в зависимости от термовязкостных характеристик и степени фильтрации жидкости (рабочего тела) устанавливается с минимальным диаметральным зазором 15 к периферии выступов 10.
Катушка 12 через усилитель-формирователь сигнала 16 соединена с счетчиком импульсов 17. Сердечник 11 может иметь антикоррозийное покрытие в зависимости от среды, с которой он сопрягается.
Материалы корпуса 1 должны иметь значительно меньшую магнитную проницаемость, чем материалы сердечника 11 и винтовых выступов 10 турбины 8. Сердечник 11 изготавливается из магнитомягких материалов.
В качестве датчика может быть использован стандартизованный магнитоиндукционный генератор, который представляет собой колебательный контур с заданной частотой, которая резко меняется при прохождении выступов в непосредственной близости от сердечника или иные источники, функциональное назначение которых направлено на повышение помехоустойчивости.
Диаметр сердечника берется многократно меньше толщины стенки корпуса расходомера и меньше шага между вершинами одноименных винтовых выступов, это связано с тем, что с увеличением площади поперечного сечения сердечника уменьшается его проводимость и чем меньше указанная площадь, тем меньше в нем вихревые токи.
Расходомер работает следующим образом.
Поток жидкости или газа, проходя через калиброванный канал 2, вращает турбину 8, а вершины винтовых выступов одноименных витков, проходя на необходимом расстоянии от основания сердечника 11 будут вызывать в нем модуляцию магнитного потока. Согласно закону электромагнитной индукции в катушке сердечника будет наводиться переменная ЭДС, с частотой, соответствующей частоте прохождения винтовых выступов. Эта частота в виде импульсов будет регистрироваться через усилитель-формирователь сигналов на счетчике импульсов, которые пересчитываются в количество протекаемого рабочего тела.
Так как качество регистрации переменного сигнала ЭДС слабо зависит от длины сердечника, а сам сердечник имеет малый диаметр и толщина стенок корпуса незначительно ослабляет магнитный поток, то фактически нет ограничений на толщину стенки корпуса расходомера, в отличие от толщины перегородки в известных конструкциях, что позволяет производить измерения количества протекающей рабочей среды в единицу времени в трубопроводах со сверхвысоким давлением свыше 50 МПа. В случае измерения расхода агрессивной среды на сердечник может быть нанесено любое антикоррозионное покрытие, без ухудшения качества снимаемого сигнала.
Упрощение конструкции индуктивного датчика и введение сердечника малого диаметра позволяет, уменьшив площадь контакта датчика с рабочей средой значительно уменьшить силу давления последней на него. Это повышает не только прочность датчика и корпуса, но, применяя более технологичные способы монтажа (сварка, пайка, резьбовое соединение, запрессовка) повышает надежность соединения сердечника с корпусом. Значительно упрощается конструкция самого устройства измерения расхода и расширяются его эксплуатационные возможности. Расходомер изготовлен и испытан в магистрали под давлением 80 МПа.