ТЕНЗОДАТЧИК ДЛЯ ОБЪЕМНО-ВЕСОВОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ ПЛОТНОСТИ ЖИДКОСТИ И ОБЪЕМНО-ВЕСОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПЛОТНОСТИ ЖИДКОСТИ НА ЕГО ОСНОВЕ
STRAIN GAUGE FOR VOLUME-WEIGHT LIQUID DENSITY METER AND VOLUME-WEIGHT LIQUID DENSITY METER ON ITS BASIS

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к объемно-весовым измерителям плотности жидкости (далее - ОВИПЖ) и тензодатчикам для выполнения их функции, и может найти применение в различных отраслях промышленности, таких как нефтедобывающая промышленность, строительство, химическая промышленность и т.д., где плотность жидкости, используемой в процессе и проходящей по трубопроводам, является параметром, подлежащим измерению.
Общий принцип измерения в таких устройствах основан на зависимости веса заполненного жидкостью отрезка трубопровода фиксированного объема от плотности этой жидкости. Указанный отрезок трубопровода обычно связан с входным трубопроводом гибким упругим элементом, и его называют потокочувствительной трубой. Второй конец потокочувствительной трубы может быть открытым или связанным с продолжением трубопровода еще одним гибким упругим элементом.
Техническое решение, использованное как ближайший аналог заявляемого изобретения, описано в патенте Украины №92629, опубл. 25.11.2010 г., и касается как тензодатчика, так и ОВИПЖ на его основе.
Тензодатчик для объемно-весового измерителя плотности жидкости по указанному патенту включает входной фланец со сквозным отверстием, выполненный с возможностью присоединения к выходу входного трубопровода и жесткого присоединения к неподвижной относительно земли опоры, выходной фланец со сквозным отверстием, выполненный с возможностью жесткого присоединения к потокочувствительной трубе, по крайней мере один чувствительный упругий элемент в виде жесткой балки, жестко связанной с указанными фланцами и оснащенной по крайней мере двумя наклеенными на ее чувствительные к деформации поверхности тензометрическими преобразователями, гибкую упругую трубу в виде сильфона, жестко прикрепленного своими концами к указанным фланцам с соосным расположением его отверстий на концах, причем указанные жесткие балки связаны с указанными фланцами снаружи сильфона, расположены вдоль сильфона и выполнены с возможностью предотвращения деформации тензодатчика в вертикальном направлении при растяжении или сжатии сильфона, а тензодатчик выполнен с возможностью деформироваться под воздействием веса потокочувствительной трубы.
Недостатком описанного выше тензодатчика является создание заметной погрешности измерения плотности жидкости, связанной со скоростью потока жидкости в потокочувствительной трубе. Несмотря на то, что жесткость конструкции, содержащей входной и выходной фланцы и жестко связанные с ними жесткие балки, и чувствительность тензометрических преобразователей выбираются так, чтобы получать достаточный для измерения сигнал при незначительных отклонениях потокочувствительной трубы в вертикальном направлении под действием веса трубы с жидкостью, эти даже незначительные ее отклонения приводят к тому, что сигнал тензометрических преобразователей зависит не только от плотности жидкости, но и от скорости ее потока за счет реакции потокочувствительной трубы на поток, а именно: если потокочувствительная труба, например, первоначально отклонена вниз от горизонтального положения, то поток будет пытаться отклонить ее вверх, и чем больше скорость потока, тем меньше отклонение потокочувствительной трубы вниз и тем больше будет погрешность измерения.
В основу этого изобретения поставлена задача создания тензодатчика для ОВИПЖ, позволяющего уменьшить погрешность измерения плотности, связанную со скоростью потока жидкости.
Поставленная относительно тензодатчика задача решается тем, что в известном тензодатчике для объемно-весового измерителя плотности жидкости, включающем по крайней мере одну совокупность, содержащую каркас и по крайней мере один цилиндрический сильфон, причем каждый каркас содержит входной и выходной фланцы со сквозными отверстиями, чувствительные к деформации продольные балки и первые тензометрические преобразователи, каждая из указанных балок жестко связана с указанными фланцами, по крайней мере один конец каждого из указанных по крайней мере одного цилиндрического сильфона жестко и герметично прикреплен в указанное сквозное отверстие входного или выходного фланцев, балки содержат первые поверхности, на которые наклеены первые тензометрические преобразователи, так, что они наиболее чувствительны, при зафиксированном входном фланце тензодатчика, к деформации при смещении выходного фланца тензодатчика в заранее определенных пределах под действием на выходной фланец силы вдоль первой прямой в плоскости, перпендикулярной оси, проходящей через центры входного и выходного отверстий сильфона, прикрепленного к указанному выходному фланцу, нечувствительны к деформации при смещении выходного фланца тензодатчика в заранее определенных пределах под действием на выходной фланец силы вдоль второй прямой в указанной плоскости, перпендикулярной первой прямой, а тензодатчик выполнен с возможностью соединения крайними входным и выходным фланцами, соответственно с входным трубопроводом и потокочувствительной трубой с максимальным совмещением соответствующих отверстий, согласно заявляемому изобретению, проведены следующие усовершенствования:
- тензодатчик дополнительно содержит вторые тензометрические преобразователи;
- балки содержат вторые поверхности, на которые наклеены вторые тензометрические преобразователи;
- вторые тензометрические преобразователи являются наиболее чувствительными, при зафиксированном входном фланце тензодатчика, к деформации при смещении выходного фланца тензодатчика в заранее определенных пределах под действием на выходной фланец силы вдоль третьей прямой в плоскости, перпендикулярной оси, проходящей через центры входного и выходного отверстий сильфона, прикрепленного к указанному выходному фланцу;
- вторые тензометрические преобразователи нечувствительны к деформации при смещении выходного фланца тензодатчика в заранее определенных пределах под действием на выходной фланец силы вдоль четвертой прямой в указанной плоскости, перпендикулярной третьей прямой;
- тензодатчик выполнен с возможностью деформироваться под влиянием скорости потока жидкости и обеспечения нечувствительности к деформации при растяжении сильфонов вдоль осей, проходящих через центры их входных и выходных отверстий.
Наличие и указанное расположение наклеенных на балки вторых тензометрических преобразователей приводит к тому, что они способны реагировать на деформацию тензодатчика в отличных, чем первые тензометрические преобразователи, направлениях, причем при условии искусственного отклонения направления потока, указанная реакция также будет зависеть от скорости потока и плотности жидкости, но отличным, чем реакция первых тензометрических преобразователей, образом.
Физические явления, приводящие к зависимости сигналов первых и вторых тензометрических преобразователей от скорости потока жидкости, одинаковы, а именно, это реакция потокочувствительной трубы на изменение вектора скорости потока в направлении, в целом противоположном вектору этого изменения. Эта реакция зависит от скорости потока жидкости и плотности жидкости. Однако угол отклонения потокочувствительной трубы вниз от горизонтали и, соответственно, сигнал первых тензометрических преобразователей зависят еще и от массы жидкости в потокочувствительной трубе, которая, в свою очередь, также зависит от плотности жидкости. Таким образом, задача определения плотности жидкости и скорости ее потока сводится к решению системы двух уравнений с двумя неизвестными. Решение этой системы уравнений может быть получено как численными методами по заранее измеренным функциям зависимости сигналов тензометрических преобразователей от плотности жидкости и от скорости потока жидкости, так и аналитическими методами путем создания моделей процессов в подходящем приближении. В любом случае в решении указанной системы уравнений касательно плотности жидкости будет учтена скорость потока жидкости, что эквивалентно снижению погрешности ее измерения.
Выражение «наиболее чувствительны к деформации в заданном направлении» означает, что для всего диапазона величины, вызывающей деформацию в заданном направлении, то есть для всего диапазона величин плотности жидкости и/или для всего диапазона скоростей, сигнал тензометрических преобразователей именно в заданном направлении будет максимальным и может быть измерен схемой измерения с заданной погрешностью.
Выражение «нечувствительны к деформации в заданном направлении» означает, что для всего диапазона величины, вызывающей деформацию в заданном направлении, то есть для всего диапазона величин плотности жидкости и/или для всего диапазона скоростей, сигнал тензометрических преобразователей будет минимальным и меньше порога чувствительности схемы измерения.
Выражение «нечувствительность к деформации тензодатчика при растяжении или сжатии сильфонов» означает, что для всех диапазонов всех сил, действующих на тензодатчик и приводящих к растяжению любого или всех сильфонов, входящих в его состав, за счет действующих факторов, отличных от плотности и скорости потока жидкости, сигнал тензометрических преобразователей будет меньше порога чувствительности схемы измерения или сигналы различных тензометрических преобразователей могут быть компенсированы в схеме измерения.
Надо отметить, что искусственное отклонение направления потока жидкости может осуществляться как в самом тензодатчике, так и вне его, например, на входе в потокочувствительную трубу, и следовательно главная функция тензодатчика заключается именно в создании сигналов тензометрических преобразователей, которые известным образом зависят от плотности жидкости и скорости потока жидкости, а также в обеспечении того, чтобы сигналы тензометрических преобразователей были меньше порога чувствительности схемы измерения при деформации тензодатчика от растяжения или сжатия сильфонов вдоль их осей в недеформированном состоянии за счет действующих факторов, отличных от плотности и скорости потока жидкости, например, давления и/или температуры жидкости.
Здесь и далее признак «ось сильфона» эквивалентен признакам «ось, проходящая через центры входного и выходного отверстий сильфона» или «ось сильфона в его недеформированном состоянии».
Нужно отметить, что тензодатчик, пока он рассматривается таким, как будто он «лежит на складе», как это требуется в описании изобретения, не имеет привязки к вертикали, а имеет выделенные направления, определяемые наибольшей чувствительностью первых и вторых тензометрических преобразователей к деформации при смещении выходного фланца тензодатчика в этих направлениях, которая по характеру эквивалентна деформации, возникающей в результате действия на тензодатчик потокочувствительной трубы с жидкостью или без нее и реакции потокочувствительной трубы или тензодатчика на скорость потока жидкости.
Если искусственное отклонение направления потока предусмотрено в самом тензодатчике, то понятно, что при его присоединении к входному трубопроводу направление указанного искусственного отклонения не должно быть в вертикальной плоскости.
Таким образом, указанные усовершенствования позволяют учесть скорость потока жидкости при измерении плотности жидкости.
Нужно также отметить, что для «идеального» тензодатчика, который, во-первых, точно, то есть с нулевыми допусками, изготовлен, который подвергается только деформации чистого изгиба или сдвига, причем такой, которая вызвана только потоком жидкости, можно было бы рассматривать вариант его осуществления с совмещенными второй и третьей прямыми, когда указанные чувствительность и нечувствительность первых и вторых тензометрических преобразователей реализуются в двух соответствующих взаимно перпендикулярных направлениях. Но на самом деле существуют погрешности изготовления тензодатчика, он подвергается начальной деформации, которая вместе с измеряемой деформацией включает не только чистый изгиб или смещение, но и кручение, и следовательно с целью обеспечения промышленной применимости изобретения возникает необходимость обобщенного подхода, т.е. рассмотрения тензодатчика со всеми четырьмя указанными прямыми, которые не совпадают.
На практике угол между второй и третьей прямыми является небольшим, и искусственное отклонение направления потока осуществляют практически в направлении, лежащем на второй или третьей прямой.
В одном конкретном варианте осуществления заявляемого изобретения тензодатчик содержит одну совокупность каркаса с двумя парами балок и по крайней мере одного сильфона и дополнительно содержит жесткий промежуточный элемент со сквозным отверстием, расположенный между двумя фланцами, причем балки первой пары жестко соединены или выполнены как единое целое с выходным фланцем и с промежуточным элементом, балки второй пары жестко соединены или выполнены как единое целое с входным фланцем и промежуточным элементом, первые поверхности с первыми тензометрическими преобразователями расположены на балках первой пары, а вторые поверхности со вторыми тензометрическими преобразователями - на балках второй пары. Этот вариант является достаточно простым для понимания принципа действия тензодатчика согласно изобретению, причем в любом варианте лучше, чтобы первыми по ходу потока жидкости были расположены именно вторые тензометрические преобразователи. Это необходимо как для увеличения чувствительности тензодатчика к скорости потока, так и для уменьшения массы части тензодатчика, чувствительной к весу потокочувствительной трубы.
Двумя альтернативными примерами такого исполнения являются тензодатчики, диаметр отверстия промежуточного элемента которых выполняют или больше наибольшего наружного диаметра сильфона, или таким же, причем в последнем случае промежуточный элемент жестко прикреплен к сильфону в его средней части. Оба варианта существенно уменьшают неопределенное влияние сильфона на результат измерения, поскольку в первом случае сильфон не касается промежуточного элемента, а во втором - средняя часть сильфона фактически становится частью жесткого каркаса.
Еще один конкретный вариант исполнения тензодатчика с промежуточным элементом, который в еще большей степени повышает его жесткость в зоне промежуточного элемента, отличается тем, что содержит один каркас с двумя парами балок и два сильфона, причем соседние концы указанных сильфонов жестко и герметично прикреплены в сквозное отверстие промежуточного элемента.
В одном из самых простых вариантов осуществления тензодатчик согласно изобретению содержит один каркас с двумя балками и один сильфон, причем балки жестко прикреплены своими концами к входному и выходному фланцам или изготовлены как единое целое с ними и расположены по обе стороны от сильфона, каждая из балок имеет и первые поверхности с первыми тензометрическими преобразователями, и вторые поверхности со вторыми тензометрическими преобразователями. Например, первые или вторые поверхности выполнены в средних частях балок, а, соответственно, вторые или первые поверхности выполнены в крайних частях балок, лучше - в зоне соединения балок с фланцами. В этом случае тензометрические преобразователи, расположенные на поверхностях в средних частях балок чувствительны к деформации чистого изгиба тензодатчика, а тензометрические преобразователи, расположенные на поверхностях в крайних частях балок, образуют датчик параллелограммного типа и чувствительны к деформации сдвига тензодатчика. При этом тензодатчик в составе ОВИПЖ можно установить так, чтобы деформация сдвига была вызвана весом потокочувствительной трубы с жидкостью, а деформация чистого изгиба -искусственным отклонением направления потока жидкости или наоборот.
Наиболее технологичным вариантом осуществления заявляемого изобретения, является тензодатчик, содержащий первую и вторую совокупности одного каркаса и одного сильфона, первый и второй каркасы содержат, соответственно, первую и вторую пары балок, жестко соединеных или выполненных как единое целое с входными и выходными фланцами соответствующего каркаса, выходной фланец второго или первого каркасов жестко и герметично соединен, соответственно, с входным фланцем первого или второго каркасов, первые поверхности расположены на балках первой пары, а вторые - на балках второй пары. Этот вариант фактически соответствует соединению двух тензодатчиков из патента-аналога так, что один из тензодатчиков является повернутым относительно другого. Кроме того, этот вариант также включает возможность жесткого соединения двух тензодатчиков через промежуточный патрубок с соответствующими фланцами, который, к тому же, может выполнять функцию искусственного отклонения направления потока при наличии изгиба отрезка трубопровода патрубка или выполнения его фланцев и/или соответствующих фланцев каркасов клиновидными.
На самом деле, любой из описанных выше вариантов выполнения тензодатчика может быть выполнен с возможностью изменения направления центрального вектора скорости потока жидкости, проходящей через него, на угол α>0 в плоскости, лежащей под углом β>0 к плоскости, проходящей через центральный вектор скорости входящего потока жидкости параллельно указанной первой прямой, в направлении которой происходит смещение исходного фланца тензодатчика под действием веса потокочувствительной трубы.
В наиболее пригодном с эксплуатационной точки зрения варианте тензодатчика направления смещения его выходного фланца, в которых проявляется наибольшая чувствительность первых и вторых тензометрических преобразователей (первое и второе направления), перпендикулярны друг другу. Но, как было указано ранее, неточности изготовления каркасов, балок, первых и вторых поверхностей и наклеивания тензодатчиков и наличие деформации, отличной от чистого изгиба и сдвига, приводят к неперпендикулярности этих направлений. Желательно, чтобы угол между указанными направлениями находился в пределах 90±1 угловых градусов, что практически не приводит к чувствительности вторых тензометрических преобразователей к изменениям веса потокочувствительной трубы с жидкостью, а юстировка тензодатчика относительно вертикали позволяет достичь его оптимального положения с точки зрения наибольшей чувствительности первых и вторых тензометрических преобразователей в соответствующих направлениях смещения выходного фланца тензодатчика.
В этом случае, поскольку чувствительность тензометрических преобразователей к деформации растяжения и сжатия поверхностей, на которые они наклеены, чрезвычайно высока, есть возможность обеспечить необходимую чувствительность вторых тензометрических преобразователей к скорости потока при углах а изменения направления потока жидкости, не превышающие одного углового градуса, если угол β находится в пределах 90±5 угловых градусов. Это практически не приводит к чувствительности первых тензометрических преобразователей к отклонениям выходного фланца в направлении, лежащем под углом β к плоскости, проходящей через ось последнего сильфона и первую прямую. Указанной выше юстировкой тензодатчика можно достичь оптимальных, с точки зрения чувствительности тензометрических преобразователей, результатов.
Во всех конкретных вариантах и примерах тензодатчика, описанных выше, лучше, с точки зрения выполнения возложенных на него функций, чтобы балки с первыми тензометрическими преобразователями были выполнены одинаковыми, имели плоскости симметрии и были расположены симметрично относительно оси соответствующего сильфона так, чтобы в ненапряженном состоянии каркаса и сильфона их плоскости симметрии совпадали и проходили через ось указанного сильфона и указанную выше вторую прямую, и балки со вторыми тензометрическими преобразователями были выполнены одинаковыми, имели плоскости симметрии и были расположены симметрично относительно оси соответствующего сильфона так, чтобы в ненапряженном состоянии каркаса их плоскости симметрии совпадали и проходили через ось соответствующего сильфона и указанную выше четвертую прямую. Это, вместе с одинаковыми по чувствительности тензометрическими преобразователями, наклеенными на каждую балку пары, особенно, когда они наклеены парами на противоположных поверхностях балок, полностью обеспечивает сформулированные выше требования к чувствительности тензометрических преобразователей ко всем указанным выше видам деформации тензодатчика.
Для повышения чувствительности в тензодатчике согласно любому из предыдущих вариантов балки могут содержать концентраторы напряжений в виде участков с уменьшенным поперечным сечением, в которых наклеены тензометрические преобразователи.
Поверхности, на которые наклеены первые и вторые тензометрические преобразователи, могут быть выполнены цилиндрическими, причем так, чтобы образующие этих поверхностей были перпендикулярны, соответственно, плоскостям, проходящим через оси соответствующих сильфонов и первую и третью прямые.
Существенный вклад в точность измерения плотности за счет обеспечения более ламинарного потока жидкости могут дать цилиндрические гибкие упругие вставки из полимерного материала, размещенные внутри каждого сильфона и приклеенные к его гофрам в зонах окружностей минимального диаметра.
В качестве наиболее близкого к этому изобретению аналога относительно ОВИПЖ также использовано техническое решение согласно патенту Украины №92629, опубл. 25.11.2010 г., бюл. №22.
ОВИПЖ согласно указанному патенту включает потокочувствительную трубу, тензодатчик и блок измерения, причем тензодатчик содержит входной фланец со сквозным отверстием, выполненный с возможностью присоединения к выходу входного трубопровода и жесткого присоединения к неподвижной относительно земли опоре, выходной фланец со сквозным отверстием, присоединенный к потокочувствительной трубы, по крайней мере один чувствительный упругий элемент в виде жесткой балки, жестко связанной с указанными фланцами и оснащенной по крайней мере двумя наклеенными на ее чувствительные к деформации поверхности тензометрическими преобразователями, гибкую упругую трубу в виде сильфона, жестко прикрепленного своими концами к указанным фланцам с соосным расположением его отверстий на концах, причем указанные жесткие балки связаны с указанными фланцами снаружи сильфона, расположены вдоль сильфона и выполнены с возможностью предотвращения деформации тензодатчика в вертикальном направлении при растяжении или сжатии сильфона, а тензодатчик выполнен с возможностью деформироваться под воздействием веса потокочувствительной трубы.
Недостатком этого ОВИПЖ является заметная погрешность измерения плотности жидкости, связанная со скоростью потока жидкости в потокочувствительной трубе, что доказано выше для тензодатчика согласно этому изобретению.
В основу этого изобретения относительно ОВИПЖ поставлена задача создания ОВИПЖ с уменьшенной погрешностью измерения плотности, связанной со скоростью потока жидкости.
Задача, поставленная относительно ОВИПЖ, решается тем, что в ОВИПЖ, содержащем потокочувствительную трубу, блок измерения и тензодатчик, включающий по крайней мере одну совокупность, содержащую один каркас и по крайней мере один цилиндрический сильфон, причем каждый каркас содержит входной и выходной фланцы со сквозными круглыми отверстиями, чувствительные к деформации продольные балки и первые тензометрические преобразователи, каждая из указанных балок жестко связана с указанными фланцами, по крайней мере один конец каждого из указанных по крайней мере одного цилиндрического сильфона жестко и герметично прикреплен в указанное сквозное отверстие входного или выходного фланцев, балки содержат первые поверхности, на которые наклеены первые тензометрические преобразователи, так, что они наиболее чувствительны, при зафиксированном входном фланце тензодатчика, к деформации при смещении выходного фланца тензодатчика в заранее определенных пределах под действием на выходной фланец силы вдоль первой прямой в плоскости, перпендикулярной оси, проходящей через центры входного и выходного отверстий сильфона, прикрепленного к указанному выходному фланцу, нечувствительны к деформации при смещении выходного фланца тензодатчика в заранее определенных пределах под действием на выходной фланец силы вдоль второй прямой в указанной плоскости, перпендикулярной первой прямой, потокочувствительная труба прикреплена к крайнему выходному фланцу тензодатчика с максимальным совмещением их отверстий одинакового диаметра, тензодатчик выполнен с возможностью соединения своим крайним входным фланцем с входным трубопроводом с максимальным совмещением их отверстий одинакового диаметра и жесткого присоединения к неподвижной относительно земли опоре и с возможностью деформироваться под воздействием веса потокочувствительной трубы с жидкостью, а выходы тензометрических преобразователей электрически подключены к входам блока измерения, проведены усовершенствования, которые характеризуются следующими существенными признаками:
- ОВИПЖ выполнен с возможностью изменения направления центрального вектора скорости потока жидкости, проходящей через него, на угол а в плоскости, лежащей под углом β к плоскости, проходящей через центральный вектор скорости входящего потока жидкости параллельно указанной первой прямой;
- тензодатчик дополнительно содержит вторые тензометрические преобразователи;
- балки содержат вторые поверхности, на которые наклеены вторые тензометрические преобразователи;
- вторые тензометрические преобразователи являются наиболее чувствительными, при зафиксированном входном фланце тензодатчика, к деформации при смещении выходного фланца тензодатчика в заранее определенных пределах под действием на выходной фланец силы вдоль третьей прямой в плоскости, перпендикулярной оси, проходящей через центры входного и выходного отверстий сильфона, прикрепленного к указанному выходному фланцу;
- вторые тензометрические преобразователи нечувствительны к деформации при смещении выходного фланца тензодатчика в заранее определенных пределах под действием на выходной фланец силы вдоль четвертой прямой в указанной плоскости, перпендикулярной третьей прямой;
- тензодатчик выполнен с возможностью деформироваться под влиянием скорости потока жидкости и обеспечения нечувствительности к деформации при растяжении сильфонов вдоль осей, проходящих через центры их входных и выходных отверстий.
Как видно, большинство отличных существенных признаков касается тензодатчика и описано выше. Однако необходимым существенным признаком ОВИПЖ в целом является его выполнение с возможностью изменения направления центрального вектора скорости потока жидкости, проходящей через него, что необходимо для обеспечения возможности учета скорости потока жидкости при определении ее плотности. При этом, как указано выше, указанное изменение направления может происходить как в тензодатчике, так и за его пределами. Указанная возможность изменения направления потока может быть реализована различными средствами отклонения направления потока, среди которых клиновидные или повернутые на определенный угол фланцы каркасов или потокочувствительной трубы, изогнутые или срезанные под углом промежуточные патрубки, искусственный сгиб потокочувствительной трубы и т.д.
Важно, чтобы указанный угол отклонения был не слишком большим, чтобы не создавать существенные деформации кручения и существенную турбулентность потока за счет неполного совмещения отверстий в соседних фланцах, которые соединены друг с другом и в области которых находится средство отклонения.
Описанная выше причинно-следственная связь между проведенными усовершенствованиями и техническим результатом вполне касается также и усовершенствованного ОВИПЖ, однако в отличие от тензодатчика, усовершенствования которого, главным образом, создают условия для измерения скорости потока и плотности жидкости при наличии искусственного отклонения направления потока жидкости, ОВИПЖ не только создает условия для указанного измерения, а именно отклоняет направление потока, вызывающего дополнительную реакцию тензометрических преобразователей, которая может быть определена, но и измеряет плотность жидкости с пониженной погрешностью, зависящей от скорости потока.
Дальнейшие усовершенствования, конкретные варианты и примеры выполнения ОВИПЖ, соответствуют описанным выше усовершенствованиям, конкретным вариантам и примерам выполнения тензодатчика.
В одном из лучших вариантов исполнения ОВИПЖ выполнен с возможностью установки первой прямой вертикально, что обеспечивает максимальную чувствительность первых тензометрических преобразователей при приложении силы к выходному фланцу именно в вертикальном направлении, то есть в направлении действия потокочувствительной трубы с жидкостью или без нее на тензодатчик.
Лучшим является вариант исполнения ОВИПЖ согласно изобретению, в котором первая прямая установлена вертикально, угол между второй и третьей прямыми составляет не более 1 углового градуса, а угол β находится в пределах 90±5 угловых градусов. Это обеспечивает максимальную чувствительность вторых тензометрических преобразователей при приложении силы к выходному фланцу в направлении, практически совпадающем с плоскостью, в которой изменяется направление потока жидкости.
Нужно отметить, что балки, с одной стороны, должны быть выполнены настолько жесткими, чтобы в диапазоне измеряемых значений плотности жидкости угловые и линейные деформации тензодатчика были достаточно малы, чтобы несоосностью частей тензодатчика можно было пренебречь. С другой стороны, балки должны быть не слишком жесткими, чтобы деформации их частей, на которые наклеены тензометрические преобразователи, были достаточными для измерения их сигналов с достаточной точностью в указанном диапазоне.
Поскольку деформация тензодатчика вызывается смещением выходного фланца тензодатчика относительно входного, входной фланец должен быть закреплен неподвижно относительно земли, что достигается, как сказано выше его выполнением с возможностью жесткого присоединения к неподвижной относительно земли опоре. В конкретном и наиболее распространенном варианте выполнения такой неподвижной относительно земли опорой может быть входной трубопровод, если, безусловно, для этого приняты соответствующие меры.
Для учета влияния давления на результаты измерения, в частности, путем схемной компенсации, в любом из описанных выше вариантов выполнения тензодатчика на поверхность по крайней мере одного сильфона может быть наклеен по крайней мере один дополнительный тензометрический преобразователь, подключенный к блоку измерения и выполненный с возможностью реагирования на давление жидкости внутри сильфона.
Влияние температуры на результаты измерения может быть учтено путем оснащения одного или более сильфонов датчиками температуры, выходы которых также могут быть подключены к блоку измерения.
Примеры выполнения тензодатчика для ОВИПЖ и самого ОВИПЖ представлены на прилагаемых чертежах, а именно:
- на фиг. 1 схематично представлен вид спереди на тензодатчик для ОВИПЖ согласно патенту-аналогу;
- на фиг. 2 схематично представлено трехмерное габаритное изображение тензодатчика согласно изобретению;
- на фиг. 3 схематично представлен вид тензодатчика со стороны места присоединения потокочувствительной трубы, аналогичного представленному на фиг. 2, но с другим расположением линий I-IV;
- на фиг. 4 представлен увеличенный вид участка С на фиг. 3;
- на фиг. 5 представлен увеличенный вид участка D на фиг. 3;
- на фиг. 6 показано трехмерное изображение одного из вариантов каркаса тензодатчика согласно изобретению;
- на фиг. 7 схематично представлен вид спереди на тензодатчик с каркасом согласно фиг. 6
- на фиг. 8 схематично представлен вид спереди на вариант тензодатчика согласно изобретению с двумя балками;
- на фиг. 9 представлен вид сверху на вариант тензодатчика согласно изобретению с изогнутым в сторону промежуточным патрубком;
- на фиг. 10 представлен вариант ОВИПЖ (блок измерения не показан) с тензодатчиком согласно фиг. 7 и искусственным изменением направления потока жидкости на входе в потокочувствительную трубу;
- на фиг. 11 показан вид спереди на ОВИПЖ с тензодатчиком согласно фиг. 10 и повернутой в сторону зрителя потокочувствительной трубой.
На фиг. 1, с целью объяснения принципа действия ОВИПЖ и тензодатчика, схематически показан вид спереди на ближайший аналог изобретения, а именно ОВИПЖ согласно патенту Украины на изобретение №92629, который совершенствуется заявляемым изобретением. ОВИПЖ-аналог содержит тензодатчик 1, потокочувствительную трубу 2 и блок измерения (не показан). Тензодатчик этого ОВИПЖ, как и во всех описанных ниже вариантах ОВИПЖ и тензодатчика, согласно изобретению обозначен позицией 1 и включает жесткий каркас 3 и цилиндрический сильфон 4. Каркас 3 содержит входной 5 и выходной 6 фланцы со сквозными круглыми отверстиями 7, 8, соответственно, одинакового диаметра и чувствительные к деформации продольные балки 9, расположенные по обе стороны от сильфона 4 и жестко связанные с указанными фланцами 5, 6. Концы цилиндрического сильфона 4 жестко и герметично прикреплены в сквозные отверстия 7 и 8. Указанные сквозные отверстия 7, 8 имеют общую ось X в недеформированном состоянии каркаса 3. Входной 5 и выходной 6 фланцы в данном случае соединены, соответственно, с входным трубопроводом и потокочувствительной трубой 2 с совмещением отверстий соединяемых соседних элементов.
Балки 9 имеют первые поверхности 10, которые расположены на концентраторах 11 напряжения - участках с уменьшенной толщиной, на которые наклеены первые тензометрические преобразователи 12 так, что в данном случае при жестком закреплении входного фланца 5 они наиболее чувствительны к деформации, возникающей при смещении выходного фланца 6 в направлении А, параллельном плоскости, проходящей через ось X параллельно плоскости чертежа, и нечувствительны к деформации, возникающей при смещении выходного фланца 6 в направлении, перпендикулярном плоскости чертежа. Кроме того, тензодатчик 1 выполнен с возможностью обеспечения нечувствительности тензометрических преобразователей 12 к деформации растяжения или сжатия каркаса 3 вдоль указанной оси X в недеформированном состоянии. В данном случае это обеспечивается наличием двух одинаковых балок 9, расположенных по обе стороны от сильфона 4, и двумя парами первых тензометрических преобразователей 12 с одинаковой чувствительностью, которые в блоке измерения (не показан) ОВИПЖ с тензодатчиком 1 электрически соединяются в мостовые схемы. При работе тензодатчика 1 его устанавливают так, чтобы плоскость, проходящая через ось сильфона 4 и направление А, была вертикальной, и с помощью тензометрических преобразователей 12 измеряют параметры сигнала, который зависит от положения потокочувствительной трубы 2 в вертикальной плоскости, в свою очередь зависящего от плотности жидкости.
Недостатком ОВИПЖ согласно фиг. 1, как отмечалось выше, является заметная погрешность измерения плотности жидкости, связанная со скоростью потока жидкости в потокочувствительной трубе 2, и задачей настоящего изобретения является уменьшение этой погрешности.
Эта задача принципиально решается тем, что направление выходного потока тензодатчика или потокочувствительной трубы искусственно изменяют в сторону от входного направления потока жидкости в плоскости, расположенной под углом к плоскости, проходящей через ось сильфона 4 и направление А, с помощью сигналов вторых тензометрических преобразователей, чувствительных к деформации при смещении выходного фланца 6 в направлении В, лежащем на прямой, расположенной под углом к направлению А, и нечувствительных к такой же деформации при смещении выходного фланца 6 вдоль прямой, перпендикулярной направлению В, определяют параметры сигналов со вторых тензометрических преобразователей и на основании заранее созданной математической модели и/или калибровки определяют плотность жидкости и, возможно, скорость потока, что собственно и есть учетом скорости потока в результате измерения плотности жидкости.
На фиг. 2 схематично представлено трехмерное изображение тензодатчика 1 согласно изобретению и схема потока жидкости через него в общем случае. Чертеж фиг.2 предназначен для того, чтобы дать представление о принципах действия тензодатчика и ОВИПЖ в целом. Тензодатчик представляет в целом жесткую конструкцию (в виде по крайней мере одного каркаса), включающую жестко скрепленные балками (не показаны) входной 5 и выходной 6 фланцы со сквозными отверстиями (не показаны). Внутри каркаса находится по крайней мере один цилиндрический сильфон (не показан), каждый из которых концами закреплен в указанные отверстия.
На фиг. 2 линии I-IV - это прямые, проходящие через центр отверстия 8 выходного фланца 6 перпендикулярно оси последнего по потоку жидкости сильфона 4. На прямой I лежит направление А смещения выходного фланца 6, причем первые тензометрические преобразователи наиболее чувствительны к деформации, возникающей при этом смещении при зафиксированном относительно земли фланце 5. Прямая II перпендикулярна прямой I, причем первые тензометрические преобразователи нечувствительны к деформации, возникающей при смещении выходного фланца вдоль нее. На прямой III лежит направление В смещения выходного фланца 6, в котором вторые тензометрические преобразователи наиболее чувствительны к такой деформации. Прямая IV перпендикулярна прямой III, причем при смещении выходного фланца 6 вдоль нее вторые тензометрические преобразователи нечувствительны к возникающей при этом деформации.  - вектор скорости входного потока в центре (центральный вектор) входного отверстия 7, который может не совпадать с осью первого сильфона, 1 - центральный вектор скорости выходного потока тензодатчика, ' - вектор, параллельный вектору , имеет такую же длину и выходит из той же точки, что и вектор 1, L - траектория (в общем случае не являющаяся прямой) центральной части потока жидкости в тензодатчике, α - угол между векторами  и ' в созданной ими плоскости, β - угол между этой плоскостью и плоскостью, проходящей через вектор ' параллельно направлении А.
На фиг. 3 схематично представлен вид сбоку на тензодатчик 1 согласно изобретению со стороны входного фланца 5 с круглым отверстием 7. Невидимые на этом виде балки 9' и 9'' показаны штриховыми линиями. Четыре прямые линии I, II, III, IV проходят через центр отверстия 7. Прямые I и III являются перпендикулярными, соответственно, прямым II и IV, на которых лежат, соответственно, направления А и В, в которых рассматривается деформация при смещении выходного фланца 6 тензодатчика 1 относительно зафиксированного входного фланца 5.
Таким образом, при прохождении жидкости через тензодатчик 1 направление ее потока меняется на угол а, и, кроме сигналов первых тензометрических преобразователей, главным образом, зависящих от веса потокочувствительной трубы с жидкостью и скорости ее потока, возникают еще сигналы вторых тензометрических преобразователей, которые, в общем случае, также зависят от этих величин, но иным образом. Если при заданном начальном угле а эти зависимости известны, то конкретным сигналам первых и вторых тензометрических преобразователей соответствуют, соответственно, первая и вторая функции зависимости скорости потока от плотности жидкости или наоборот. Точке, в которой значения этих функций одинаковые, будут соответствовать искомые значения плотности жидкости и скорости ее потока.
На фиг. 4 и 5 в увеличенном виде показаны участки С и D фиг. 2. Показанные штриховыми линиями на участках С и D, соответственно, балки 9' и 9'' содержат, соответственно, первые поверхности 10 и вторые поверхности 13, причем эти поверхности могут находиться как на разных, так и на тех же балках 9, что также будет показано ниже. На первые поверхности 10 наклеены первые тензометрические преобразователи 12, а на вторые поверхности 13 - вторые тензометрические преобразователи 14 так, что они наиболее чувствительны, при зафиксированном входном фланце 5, к деформации при смещении выходного фланца 6, соответственно, в направлениях А и В, лежащих соответственно на прямых I и III, и нечувствительны к деформации при смещении фланца 6 в направлениях, лежащих на прямых II и IV, перпендикулярных прямым I и III. Кроме того, тензодатчики выбраны и расположены так, что обеспечивают возможность компенсации их чувствительности к деформации соответствующего каркаса 3 при его растяжении или сжатии вдоль его оси в недеформированном состоянии.
Возможность указанной компенсации определяется, например, наличием двух противоположных первых 10 и/или вторых 13 поверхностей на каждой балке 9, по-разному реагирующих на указанные выше деформации, благодаря чему реакция наклеенных на них тензометрических преобразователей может быть легко учтена, например, мостовыми электрическими схемами блока измерения путем компенсации сигналов наклеенных на противоположные поверхности тензометрических преобразователей, вызванных нежелательной деформацией. Это также позволяет повысить чувствительность тензодатчика к измеряемой деформации.
Как будет показано далее, в некоторых случаях достаточно всего двух балок 9, на каждой из которых предусмотрены как первые 10, так и вторые 13 поверхности.
В предпочтительном варианте выполнения ОВИПЖ угол α<1°, угол β=90±5°, прямая II совпадает с прямой III, тензодатчик устанавливается так, чтобы прямая I находилась в вертикальной плоскости, а потокочувствительная труба была расположена с небольшим наклоном вниз под углом не более 5° к горизонтальной плоскости. В этом случае деформация при смещении указанного выходного фланца вдоль прямой за счет веса жидкости и скорости ее потока не будет «замечаться» вторыми тензометрическими преобразователями, а деформация при смещении этого фланца вдоль прямой III под влиянием скорости за счет искусственного поворота потока на угол α не будет «замечаться» первыми тензометрическими преобразователями. Для оптимизации этого состояния целесообразно иметь возможность юстировки тензодатчика в небольших пределах вокруг оси входного трубопровода и угла р.
Все последующие варианты выполнения описываются именно для такого взаимного расположения прямых I-IV, малого (в указанном выше смысле) угла αα и угла β=90 угловых градусов.
На фиг. 6 показан один из вариантов реализации каркаса 3, содержащего входной 5 и выходной 6 фланцы, промежуточный элемент 15, первую пару балок 9', вторую пару балок 9'' причем балки 9'' первой пары расположены между промежуточным элементом 15 и выходным фланцем 6, балки 9'' второй пары расположены между входным фланцем 5 и промежуточным элементом 15 и весь каркас 3 выполнен как единое целое. В промежуточном элементе 15 выполнено сквозное круглое отверстие 16, диаметр которого больше внешнего диаметра цилиндрического сильфона 4 (фиг. 1), который при сборке тензодатчика будет прикреплен во входное 7 и выходное 8 отверстия, оси которых в недеформированном состоянии каркаса совпадают с осью X. Балки 9' и 9'' содержат концентраторы напряжения 11 в виде участков с уменьшенным поперечным сечением, которые в каркасе на фиг. 5 имеют цилиндрические первые 10 и вторые 13 поверхности. Образующие указанных первых 10 и вторых 13 поверхностей перпендикулярны плоскостям, проходящим через ось каркаса 3 в недеформированном состоянии и параллельны направлениям А и В смещения выходного фланца 6, к которым будут наиболее чувствительны, соответственно, первые и вторые тензометрические преобразователи, которые при сборке тензодатчика будут наклеены, соответственно, на первые 10 и вторые 13 поверхности.
На фиг. 7 схематично представлен тензодатчик 1 с каркасом 3, аналогичным каркасу 3 на фиг. 6.
Промежуточный элемент 15 этого тензодатчика может быть выполнен в трех вариантах:
- с одним сильфоном 4 и с отверстием, не касающимся сильфона 4;
- с одним сильфоном 4 и жестким соединением сильфона 4 с поверхностью круглого отверстия в промежуточном элементе 15;
- с двумя сильфонами 4, соседние концы которых жестко соединены с поверхностью круглого отверстия в промежуточном элементе 15.
Две балки 9' с первыми тензометрическими преобразователями 12 выполнены одинаковыми, расположены симметрично относительно оси сильфона(ов) и жестко прикреплены между промежуточным элементом 15 и выходным фланцем 6. Балки 9'' также выполнены одинаковыми, расположены симметрично относительно оси сильфона(ов) и жестко прикреплены между промежуточным элементом 15 и входным фланцем 5. Направления наибольшей чувствительности первых и вторых тензометрических преобразователей перпендикулярны друг другу.
На фиг. 8 представлен вариант выполнения тензодатчика 1 с одним сильфоном 4 и двумя одинаковыми балками 9, на которые в средних и крайних частях наклеены и первые 12, и вторые 14 тензометрические преобразователи, причем если тензодатчик 1 установлен так, что балки 9 расположены сверху и снизу относительно сильфона 4, как показано на чертеже, то первыми тензометрическими преобразователями 12 являются те, которые расположены на крайних частях балок 9 и чувствительны к деформации сдвига тензодатчика, а вторыми тензометрическими преобразователями 14 являются те, которые расположены в средних частях балок 9 и чувствительны к деформации изгиба тензодатчика.
Если тензодатчик 1 расположить так, чтобы балки находились по обе стороны от сильфона 4, первыми тензометрическими преобразователями 12 будут те, что выше были вторыми и наоборот.
На фиг. 9 схематично представлен вид сверху на тензодатчик 1 с промежуточным патрубком 17, к которому присоединены две совокупности каркаса 3 с тензометрическими преобразователями и сильфонами, каждая из которых по сути представляет собой тензодатчик согласно патенту-аналогу. Одна совокупность содержит первую пару балок 9'', жестко соединенных с входным фланцем 5' и выходным фланцем 6', а вторая совокупность, в свою очередь, содержит вторую пару балок 9'', жестко соединенных с входным фланцем 5'' и выходным фланцем 6''. При этом одна совокупность повернута относительно другой на определенный угол, в данном случае равный 90 угловых градусов. Промежуточный патрубок 17 изогнут таким образом, что ось выходного сильфона (правого на чертеже) находится под углом α к оси входного сильфона, т.е. искусственное отклонение направления потока будет осуществляться в тензодатчике 1 в плоскости, перпендикулярной к вертикальной.
Нужно отметить, что наиболее технологичным является вариант исполнения тензодатчика 1, подобный представленному на фиг. 9, но с прямым промежуточным патрубком или вовсе без него.
На фиг. 10 представлен схематический вид сверху на тензодатчик, например, согласно фиг. 7, соединенный болтами 18 с потокочувствительной трубой 2, открытой на дальнем конце, и входным трубопроводом, причем искусственное отклонение направления потока жидкости осуществляется на стыке тензодатчика 1 с потокочувствительной трубой 2.
И, наконец, на фиг. 11 схематически изображен вид спереди на ОВИПЖ с тензодатчиком 1, открытой на дальнем конце потокочувствительной трубой 2, присоединенной к тензодатчику 1, блоком 19 измерения и кабелями, соединяющими тензометрические преобразователи 12 и 14 тензодатчика 1 с входами блока 19 измерения. На то, что изображен именно вид спереди, указывает видимый как эллипс срез 20 потокочувствительной трубы, отклоненной от плоскости чертежа на угол α, невидимый на чертеже фиг. 11.
Во всех представленных вариантах тензодатчиков и ОВИПЖ каждая из балок 9 содержит четное количество тензометрических преобразователей 12 и/или 14, характеристики отклика на линейную деформацию которых или одинаковые, или выровнены в блоке 19 измерения.
Во всех представленных общем и конкретных вариантах балки 5 с тензометрическими преобразователями 7 имеют такую форму и расположение, что при растяжении или сжатии сильфонов под действием давления в трубопроводе или температуры измеряемой жидкости балки деформируются только в продольном направлении, а сигналы с тензометрических преобразователей 12 и 14, соответствующие деформации балок при растяжении-сжатии сильфона, компенсируются (вычитаются друг от друга).
Для более точного учета влияния давления на результат измерения на сильфон 4 могут быть наклеены, например, три дополнительных тензометрических преобразователя равномерно по его окружности. Наличие изменения сигналов одновременно на трех тензометрических преобразователях свидетельствует об изменении давления в жидкости и ее величине, что может быть учтено в результатах измерения.
Влияние температуры на результат измерения может быть дополнительно учтено путем ее измерения известными методами с помощью датчика температуры любого подходящего типа, который может быть закреплен известными методами как на сильфоне, так и на потокочувствительной трубе или на каркасе.
Ниже описана работа устройств согласно изобретению на примере ОВИПЖ согласно фиг. 11.
Входной фланец 5 тензодатчика 1 присоединяют к фланцу входного трубопровода и, если необходимо, к неподвижной относительно земли опоре. При создании потока измеряемой жидкости, такого, чтобы вся потокочувствительная труба 2 была заполнена ею, тензодатчик 1 начинает деформироваться под действием веса потокочувствительной трубы 2 с жидкостью, т.е. в результате смещения выходного фланца 6 тензодатчика 1 вниз, и под действием потока жидкости, который искусственно отклоняется в сторону, т.е. в результате смещения выходного фланца 6 тензодатчика 1 в сторону относительно исходного положения, определяемого при отсутствии потока жидкости. При этом наиболее чувствительные участки 10 и 13 балок 9, на которые наклеены тензометрические преобразователи 12 или 14, деформируются, т.е. растягиваются или сжимаются, в большей степени, чем другие части балок 9, на что собственно и реагируют наклеенные на них тензометрические преобразователи 12 и 14 путем изменения образующихся в них сигналов. Сигналы тензометрических преобразователей 12 и 14 поступают в блок 19 измерения, который их обрабатывает известным в этой области образом с получением величины, например электрического напряжения, которую блок 19 измерения измеряет и по заранее измеренным или рассчитанным зависимостям значений этого напряжения от плотности жидкости и скорости ее потока находит значение плотности жидкости и скорости, соответствующие измеренным сигналам обеих совокупностей тензометрических преобразователей 12 и 14.
Важнейшим признаком тензодатчика и ОВИПЖ согласно изобретению является то, что действие вредных факторов, влияющих на погрешность измерения, а именно давления и температуры, в значительной степени устраняется тем, что сильфон под действием этих факторов равномерно деформируется в радиальном направлении, не влияя на деформацию наиболее чувствительных участков 10 и 13 балок 9.
Приведенными выше примерами не исчерпываются все возможные варианты исполнения балок. Действительно, поверхности, на которые наклеены тензометрические преобразователи, могут отличаться от цилиндрических, тензометрические преобразователи могут быть неодинаковыми как по принципу действия, так и по чувствительности, что может быть учтено, например, схемными решениями, а также учетом в результатах измерения температуры и давления, которые являются нежелательными факторами влияния на результат измерения, тензометрические преобразователи могут быть расположенными в определенной степени несимметрично относительно оси соответствующего сильфона, балки могут не иметь оси симметрии и т.п.Важно только, чтобы количество балок, их конфигурация и расположение, а также расположение тензометрических преобразователей на них были такими, чтобы обеспечить соответствующую чувствительность и нечувствительность тензодатчика к соответствующим указанным выше деформациям.