Комбинированный расходомер газа

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована в системах измерения газообразных сред.
Известен турбинный преобразователь расхода (а.с. SU №1597560), содержащий корпус, внутри которого последовательно расположены входной струенаправляющий аппарат с компенсатором осевого усилия в виде каналов, аксиальная крыльчатка и выходной струенаправляющий аппарат, а также узел съема сигнала. Недостатком такого расходомера является необходимость осевого уравновешивания турбинки в широком диапазоне расходов с установкой струевыпрямителей и увеличение ресурса работы.
Известен турбинный расходомер (RU 2350909, 27.03.2009), принят за прототип, содержащий корпус с измерительным каналом и установленными в нем аксиальной турбинкой, имеющей возможность вращения и осевого перемещения, входным и выходным струевыпрямителями с обтекателями, устройством гидродинамического уравновешивания турбинки, а также узел съема сигнала.
Перечисленные расходомеры имеют существенный признак - осевое силовое уравновешивание турбинки, необходимое для свободного вращения, которое недостаточно надежно обеспечивается различными конструктивными приемами в широком диапазоне расходов, и вследствие этого возникающую погрешность измерения расхода газа.
Техническим результатом предложенного комбинированного расходомера газа является уменьшение погрешности измерения расхода.
Технический результат достигается тем, что предложенный комбинированный расходомер газа по модели характеризуется тем, что содержит проточную измерительную трубу, в которой расположены внутри основного канала в разделительной камере крыльчатка, управляемая приводом, и струйный генератор с камерой выхода, объединенные между собой обводным каналом через камеру выхода крыльчатки, и автоматику вычисления расхода газа.
На фиг. 1 представлена конструкция модели по потоку в продольном разрезе по АБ и в поперечном сечении по СС.
На фиг. 2 приведена статическая характеристика модели в координатах «частота - расход газа» ƒ=F(Q).
Измерение расхода ведется крыльчаткой, силовое уравновешивание которой достигается измерением и поддержанием условного нулевого перепада на крыльчатке, гидравлическое сопротивление которой выше сопротивления струйного генератора в диапазоне измерения.
СГ
min СГ
К
К
«Нулевой» перепад на крыльчатке определяется струйным генератором, т.е. струйный генератор работает как нуль-орган (ƒ=ƒ) и корректирует своей частотой частоту ƒ расхода Q, проходящего через крыльчатку.
СГ
СГ
Принцип действия комбинированного расходомера газа основан на корректировании частоты вращения крыльчатки по показаниям выходной частоты струйного генератора. Взаимодействие струйного течения потока газа обводного канала со стенками плоского струйного элемента (одного или нескольких), входящих в состав струйного генератора, определяет выходную частоту ƒ струйного генератора. Колебания струи газа, выраженные в частоте колебаний давления, мембранным пневмоэлектропреобразователем преобразуются в частоту электросигналов, пропорциональных объемному расходу газа Q.
Комбинированный расходомер газа содержит проточную измерительную трубу 1, в которой расположены внутри в основном канале 2 разделительная камера 3, струйный генератор 4 с камерой выхода 5, крыльчатка 6, управляемая приводом 7, камера выхода 8, соединенная обводным каналом 9 с камерой выхода 5 струйного генератора 4, и автоматику 10 вычисления расхода газа, закрепленную на измерительной трубе 1, сигналы которой поступают по точкам связи 11 от струйного генератора 4 к нуль - органу 12 и по точке 13 к приводу 7 крыльчатки 6 через управляющий блок-сумматор 14. Выходной сигнал сумматора 14, фиксирующего измеренный расход газа, передается на индикатор 15.
СГ
СГ
Для формирования потока и уменьшения гидравлического сопротивления потоку газа струйный генератор 4 и крыльчатка 6 заключены в аэродинамические обтекатели (не обозначены цифрами). Вместе обтекатели представляют собой сужающееся кольцевое сопло, в котором основной поток 2 увеличивает скорость, в камере 3 понижается местный уровень статического давления перед входом в струйный генератор 4 и расход Q. Сужающееся (конфузорное) кольцевое сопло 10 позволяет увеличить число Рейнольдса Re, характеризующее течение измеряемого потока, и расширяет зону линейной характеристики расходомера с крыльчаткой (П.П. Кремлевский. Расходомеры и счетчики количества веществ. Спр. Книга первая \ Политехника. С-П. 2002 г. \ с. 302). Уменьшение Q улучшает динамику измерения.
К
К
СГ
СГ
К
СГ
Крыльчатка 6 включается потребителем газа по внешней команде кнопкой вкл/выкл на сумматоре 14. При появлении перепада давления в сети потребления газа поток Q из основного канала 2 проходит в разделительную камеру 3 к крыльчатке 6, как поток Q(Q=Q-Q) в камеру выхода 8, и одновременно к струйному генератору 4, как поток Q, в камеру выхода 5 через обводной канал 9 также в камеру выхода 8 и далее, как суммарный поток Q=Q+Q на выход в нагрузку к потребителю.
К
СГ
СГ
При увеличении перепада давления на расходомере и расхода Q в сети от набегающего потока возрастает частота вращения крыльчатки 6 (поток Q) и перепад давления на ней. Давление в камере 3 всегда больше по величине, чем в камере 8, увеличивается поток Q, что отражается в увеличенной частоте ƒ струйного генератора 4.
СГ
minСГ
СГ
minСГ
К
СГ
СГ
min СГ
СГ
К
К
Величина Q=Q=const измеряется струйным генератором 4, частота колебаний ƒ которого поддерживается на уровне ƒ=const изменением частоты ƒ вращения крыльчатки 6. При изменении величины потока Q происходит изменение частоты ƒ±Δƒ струйного генератора, которая передается в сумматор 14 через нуль-индикатор 12. Сумматор 14 определяет величину отклонения частоты ƒ струйного генератора в сравнении с назначенной ƒ в момент измерения частоты ƒ и расхода Q с частотой ƒ.
minСГ
i
minСГ
Частота ƒ струйного генератора не зависит от частоты изменения расхода Q в диапазоне измерения, получена при тарировании струйного генератора, и ее величина содержится в блоке сумматора 14. Поэтому при определении частоты расхода Q в каждой точке ƒ кривой расхода ƒ=F(Q) имеется одна на все точки величина частоты ƒ струйного генератора.
К
СГ
minСГ
При измерении используется компенсационный метод с нулевым перепадом давления. Это позволяет вычислить расход Q в проточной трубе 1 по основному каналу 2 по измеренному расходу Q крыльчаткой 6. Применяя компенсационный метод с нулевым перепадом давления, уменьшается погрешность измерения расхода, которая при измерении расхода крыльчаткой, вращающейся только под напором потока Q, всегда выше за счет протечек сквозь турбину и динамических скоростных ошибок при изменении режима течения. В предложенной модели комбинированного расходомера применено устройство нуль-индикатор 12 в виде струйного генератора 4, который показывает расход Q=Q при перепаде давления равным  между камерами 3 и 8.
СГ
СГ
minСГ
К
i
К
minСГ
i
К
minСГ
При изменении величины потока Q, например при увеличении, пропорционально увеличивается величина потока Q. Чтобы это увеличение Q привести к Q, необходимо подать сигнал на крыльчатку 6 на увеличение ее скорости вращения (частоты ƒ), тогда перепад давления между камерами 3 и 8 будет соответствовать нулевому перепаду  в настоящей схеме со струйным генератором и общий расход по трубе 1 вычисляется как Q=Q+Q, по частотному сигналу это будет ƒ=ƒ+ƒ, в т. А (фиг. 2).
i
Далее по вычисленной частоте ƒ для данной точки А индикатором 15 фиксируется как фактически замеренный расходомером расход Q газа. При этом полагается, что после процедуры «сложение» тот поток Q газа на выходе из камеры 8, который поступил в нагрузку, считается равным по величине потоку, поступившему в основной канал 2, и измерен с некоторой погрешностью ζ, зависимой от стабильности статической характеристики крыльчатки «частота - расход» и отрицательной обратной связи в сумматоре 14.
К
minСГ
Измерение расхода по основному каналу 2 ведется частотой ƒ крыльчатки 6 по показателям ƒ струйным генератором 4 в качестве нуль-органа, выполняющего роль обратной связи в контуре «крыльчатка - струйный генератор».
Управление этим контуром можно характеризовать как компенсационный метод измерения расхода с нулевым перепадом давления на элементе измерения 6 (крыльчатке), крыльчатка 4 находится в состоянии управляемого приводом под перепадом давления между камерами 3 и 8, при этом уменьшается погрешность измерения расхода.
Газ, проходящий через крыльчатку, практически не подвержен сжатию. При измерении и вычислении расхода Q перепад давления между камерами 3 и 8 составляет, по нашим оценкам, 0,1 Па, на измерения почти не влияет вязкость, изменение плотности и др.
К
СГ
СГ
i
К
minСГ
При уменьшении расхода Q от потребителя в выходной камере увеличивается статическое давление и в силу инерции движения газа по каналу 2 перед крыльчаткой 6. Изменяется расход Q, расход Q, и по сигналу ƒ от струйного генератора через нуль - индикатор 12 и сумматор 14 подается сигнал на привод 7 крыльчатки 6 на суммирование уже уменьшенных частот, которая приводит к уменьшению ƒ=ƒ+ƒ суммарного расхода Q при измерении. После процедуры вычисления измеренный расход передается на индикатор 15.
Предложенная модель позволяет уменьшить погрешность измерения расхода за счет отсутствия силовой компенсации уравновешивания измерительного элемента.