Тепловой расходомер

 

ТЕПЛОВОЙ РАСХОДОМЕР, содержащий генератор импульсов тока, нагревательные элементы и термоприемники , измерительный комплекс, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, нагревательные элементы и термоприемники установлены в потоке на поверхностях совпадающей с осевым сечением трубопровода неподвижной платы на одинаковых расстояниях друг от друга по ее длине, при этом каждый из термоприемников следует за своим нагревателем, находясь от него на одном и том же фиксированном расстоянии, нагревательные элементы расположены по обе стороны платы, выполнены в виде ортогональ-,--. ных к оси трубопровода узких полос и подключены параллельно к общим шинам , соединенным с генератором импульсов тока, термоприемники образуют по ширине платы несколько параллельных оси трубопровода рядов (каналов) с постоянным шагом между ними и со сдвигом рядов одной стороны платы по отношению к рядам другой ее стороны на половину шага, каждый из каналов содержит одинаковое число последовательно соединенных термоприемников , измерительный комплекс содержит вьтолненные в стандарте КАМАК таймер, генератор тактовых импульсов, схему управления, крейтконтроллер , управляемые таймеры, а S также микро-ЭВМ, фотосчитьшатель, (Л дисплей и печатающее устройство, причем выход каждого из каналов термоприемников соединен с входом соответствующего управляемого таймера , первый выход генератора тактовых импульсов соединен с вторыми входами управляемых таймеров, второй выход генератора .соединен с .таймером , управляемые таймеры, генератор тактовых импульсов, таймер, схема управления и крейт-контроллер подOi соединены к магистрали КАМАК, выход схемы управления соединен с входом генератора импульсов тока, к выходу которого подсоединены нагревательные элементы, микро-ЭВМ связана с фотосчитывателем, печатающим меха .низмом, дисплеем и крейт-контроллером , при этом входом каждого из управляемых таймеров является вход операционного усилителя, выход которого соединен с первым входом компаратора непосредственно, а с вторым - через пиковый детектор, вы

СОЮЗ СО8ЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (И) am) С 01 F 1/66

) "Ъ ),.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ 1

Н ABTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3687590/24-10 (22) 16. 11.83 (46) 15.06.85. Бюп. Ф 22 (72) С.И. Артюх, В.Х. Галюк, С.Н. Постников и Ю.Д. Седов (71) Научно-исследовательский институт механики при Горьковском ордена Трудового Красного Знамени государственном университете им. Н.И. Лобачевского и Управление верхне-волжскими магистральными нефтепроводами (53) 681. 121.83 (088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

У 190035, кл. С 01 F 1/68, 1965.

2. Патент США Ф 3019647, кл. 73-204, 1962.

3. Авторское свидетельство СССР

Ф 605096, кл. G 01 F 1/70, 1980 (прототип) . (54)(57) ТЕПЛОВОЙ РАСХОДОМЕР, содержащий генератор импульсов тока, нагревательные элементы и термоприемники, измерительный комплекс, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, нагревательные элементы и термоприемники установлены в потоке на поверхностях совпадающей с осевым сечением трубопровода неподвижной платы на одинаковых расстояниях друг от друга по ее длине, при этом каждый из термоприемников следует за своим нагревателем, находясь от него на одном и том же фиксированном расстоянии, нагревательные элементы расположены по обе стороны платы, выполнены в виде ортогональ- .. ных к оси трубопровода узких полос и подключены параллельно к общим шинам, соединенным с генератором импульсов тока, термоприемники образуют по ширине платы несколько параллельных оси трубопровода рядов (каналов) с постоянным шагом между ними и со сдвигом рядов одной сторо— ны платы по отношению к рядам другой ее стороны на половину шага, каждый из каналов содержит одинаковое число последовательно соединенных термоприемников, измерительный комплекс содержит выполненные в стандарте

KANAK таймер, генератор тактовых импульсов, схему управления, крейтконтроллер, управляемые таймеры, а также микро-ЭВИ, фотосчитыватель, дисплей и печатающее устройство, причем выход каждого из каналов термоприемников соединен с входом соответствующего управляемого таймера, первый выход генератора тактовых импульсов соединен с вторыми входами управляемых таймеров, второй выход г енерат ора .с оеди не н с . таймером, управляемые таймеры, генератор тактовых импульсов, таймер, схема управления и крейт-контроллер подсоединены к магистрали KANAK, выход схемы управления соединен с входом генератора импульсов тока, к выходу которого подсоединены нагревательные элементы, микро-3ВМ связана с фотосчитывателем, печатающим меха.низмом, дисплеем и крейт-контроллером, при этом входом каждого из управляемых таймеров является вход операционного усилителя, выход которого соединен с первым входом компаратора непосредственно, а с вторым — через пиковый детектор, вы1161826 ход компаратора соединен с входом запуска счетчика, подсоединенного своим счетным входом к первому выхоцу генератора тактовых импульсов, второй выход которого подсоединен к входу таймера, выход компаратора соединен также с синхронизирующим входом триггера, выход которого подИзобретение относится к приборостроению, а именно к тепловым меточным измерителям, и может быть использовано для определения количества перекачиваемой жидкости на 5 потоке, например, нефти по магистральному трубопроводу.

Известны тепловые меточные расхо-. домеры, принцип действия которых ос." нован на вводе тепловой энергии в поток от импульсного нагревателя, регистрации энергетического состояния потока термоприемника, .располоФ женным на фиксированном расстоянии от излучателя, и определении средней скорости потока по времени прохождения этого фиксированного расстояния тепловой меткой. В качестве неконтактных источников тепловых меток используются СВЧ или ИК излучатели. Регистрация прохождения меток осуществляется с помощью терморезисторов, емкостных измерительных ячеек И, ультразвуковых колебаний 2) . . 25

Однако укаэанные устройства имеют низкую точность вследствие того, что с началом движения тепловой метки в потоке она деформцруется (полем скоростей, теплопроводностью) 30 и подходит к термоприемнику уже в виде сильно размытой области.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является расходомер, который содержит re- 3$ нератор импульсов тока, нагревательные элементы и термоприемники, а также измерительный комплекс (3) .

В этом расходомере сигнал, поступающий от термоприемников после предварительной обработки, непрерыв . но дифференцируется, и равенство соединен к триггерному входу компаратора, входу разрядного ключа, выход которого соединен с вторым входом компаратора, и входу схемы задержки и сброса, выход которой соединен с входом схемы управления и с установочным входом триггера. производной нулю соответствует моменту прохождения меткой термоприемника.

Однако с увеличением диаметра трубопровода чувствительность такого расходомера резко падает из-за отсутствия у сигналов, по которым производится регистрация меток, четко выраженного максимума. Кроме того, низкая точность измерения расхода этим прибором обусловлена малой интенсивностью процессов теплопередачи в системе движущийся поток— стенка трубопровода, а также невозможностью учета реальной эпюры скоростей потока по сечению.

Цель изобретения — повышение точности, Поставленная цель достигается тем, что в тепловом расходомере,содержащем генератор импульсов тока, нагревательные элементы и термоприемники, измерительный комплекс, нагревательные элементы и термоприемники установлены в потоке на поверхностях совпадающей с осевым сечением трубопровода неподвижной платы на одинаковых расстояниях друг от друга по ее длине, при этом каждый из термоприемников следует за своим нагревателем, находясь от него на одном и том же фиксированном расстоянии, нагревательные элементы расположены по обе стороны платы, выполнены в виде ортогональных к оси трубопровода узкиз полос и подключены параллельно к общим шинам, соединенным с генератором импульсов тока, термо-. приемники образуют по ширине платы несколько параллельных оси трубопровода рядов (каналов) с постоянным шагом между ними и со сдвигом рядов

1161826 одной стороны платы по отношению к рядам другой ее стороны на половину шага, каждый из каналов содержит одинаковое число последовательно соединенных термоприемников, измеритель- . ный комплекс содержит выполненные в стандарте KAMAK таймер, генератор тактовых. импульсов, схему управления, крейт-контроллер, управляемые таймеры, а также микро-ЭВМ, фотосчиты- 10 ватель, дисплей и печатающее устройство, причем выход каждого из каналов термоприемников соединен с входом соответствующего управляемо-... го таймера, первый выход генератора 15 тактовых импульсов соединен с втоФ рыми входами управляемых таймеров, второй выход генератора соединен с таймером, управляемые таймеры, генератор тактовых импульсов, тай- 20 мер, схема управления и крейт-контроллер подсоединены к магистрали

КАМАК, выход схемы управления соединен с входом генератора импульсов тока, к выходу которого подсоедине- 25 ны нагреватели, микро-ЭВМ связана с фотосчитывателем, печатающим механизмом, дисплеем и крейт-контроллером, при этом входом каждого из управляемых таймеров является вход З0 операционного усилителя, выход которого соединен с первым входом компаратора непосредственно, а с вторым — через пиковый детектор, выход компаратора соединен с входом запуска счетчика, подсоединенного своим счетным входом к первому выходу генератора тактовых импульсов, второй выход которого подсоединен к входу таймера, выход компаратора 40 соединен также с синхронизирующим входом триггера, выход которого подсоединен к триггерному входу компаратора, входу разрядного ключа, выход которого соединен с вторым входом компаратора, и входу схемы задерж ки и сброса, выход которой соединен с входом схемы управления и с уста I новочным входом триггера. !

На фиг.1 изображена плата с нагре-50 вательными элементами и термоприемниками и ее размещение в трубопроводе; на фиг.2 — блок-схема измериI тельного комплекса, на фиг.3 . . —— блок-схема управляемого таймера Я на фиг.4 — схема, поясняющая алгоритм вычисления расхода (для 5-канального расходомера).

Термоприемники 1-5 (фиг.1) и на" греватели 6 с питающими их шинами

7 расположены на плате 8, закрепленной по диаметральной плоскости трубопровода 9. Плата 8 вместе с распределенными по ее длине нагревателями 6 и термоприемниками 1-5 представляет собой датчик скоростей

10 (фиг.2) . Ребро платы, встречающее поток, имеет профиль поперечного сечения, препятствующий возникновению возмущений жидкости возле поверхности датчика скоростей 10.

Через разъем 11 питающие шины 7 подсоединены к генератору импульсов тока 12, а выходы каналов 1-5 — к входам соответствующих управляемых таймеров 13. В состав каждого управляемого таймера 13 (фиг.3) входит операционный усилитель 14, пиковый детектор 15, разрядный ключ 16, компаратор 17, триггер 18, счетчик 19, схема 20 задержки и сброса. Выход каждого из каналов подсоединен к входу соответствующего операционного усилителя 14, выход которого соединен с первым входом компаратора 17.непосредственно, а вторым — через пиковый детектор 15. Выход компаратора 17 соединен с входом запуска счетчика 19, счетный вход которого подсоединен к первому входу генератора тактовых импульсов 21 (фиг.2) . Кроме того, выход компаратора 17 соединен с входом синхронизации триггера 18 (фиг.3). Выход триггера подсоединен к триггерноиу входу компаратора 17, входу разрядного ключа 16, выход которого соединен с вторым входом компаратора 17, и к входу схемы 20 задержки и сброса, соединенной своим выходом с установочным входом триггера 18 и входом схемы управления 22 (фиг.2) . Крейтконтроллер 23, дисплей 24, фотосчитыватель 25 и печатающее устройство 26 связаны с микро-ЭВМ 27. При помощи магистрали КАМАК 28 осуществляется связь между схемами 20 задержки и сброса, счетчиками 19, схемой управления 22, генератором тактовых импульсов 21, крейт-контроллером 23 и таймером 29. Вход таймера 29 соединен с вторым выходом генератора тактовых импульсов 21.

Датчик скоростей 1О работает следующим образом.

Импульсный ввод тепловой энергии в поток осуществляется нагреванием

1161826 жидкости в областях ее соприкосновения с нагревательными элементами

6 при пропускании через них импульсов тока от генератора 12, Тепловые метки, посланные всеми нагревателя- 5 ми 6, практически одновременно переносятся жидкостью по трубопроводу 9 и регистрируются термоприемниками

1-5, расположенными за каждым .из нагревательных элементов 6 в отдельности на одном и том же фиксированном расстоянии по ходу движения потока. Последовательное соединение N термоприемников в пределах каждого из и образованных,ими рядов обеспечивает N-кратное усйление полезно1 о входного сигнала. Время прохождения тепловой меткой расстояния отсчитывается от момента посылки импульса тока генератором 12 уО до момента выхода мультиплицирован. ного сигнала от ряда термоприемников на максимальный уровень. Для каждого i-ro канала этот временной интервал будет иметь свое значение . ;(i = 1,2,3,...,п), отвечающее характеру распределения скоростей потока по сечению. Первым на максимальный уровень выйдет сигнал от ряда термоприемников, .вдоль которого жидкость движется с наибольшей ско1 ростью, последним будет сигнал ряда, \ ближайшего к стенке трубопровода 9.

Средняя скорость потока вдоль i-го ряда термоприемников

«ч;=е/-, .

Для вычисления расхода принят следующий алгоритм.

Сечение потока разбивается на m зон (фиг.4) . Если датчик скоростей

10 содержит п каналов, то m=(n+1)/2 и совпадает с номером i-го ряда термоприемников, расположенного вдоль оси трубопровода 9. Внешняя граница j-ой зоны (j = 1,2,3,...,m) пред4$ ставляет собой окружность радиуса

К1 = (2j-1)R где R) — радиус цент1) .ральной зоны, через которую поток проходит со средней скоростью Ч(Ф

Секундный расход U определяется следующим образом:

1 (к Я, М („„1+ 4, (1- 1 М (, 1 Ч (,„», ) 1)j, Полный расход за время t определяется следующим образом:

$$ х

Ч=ЕЧктк 7 где P — число запусков генератора импульсов тока 12 за время

P (=zт„ где ТК вЂ” время Е-го измерения, т.е. интервал между (k-1) -м и k-м импульсами от генератора 12;

Г «л

K к "o> где 7< — время выхода на максималь- . ный уровень сигнала от ряда термоприемников, вдоль которого во время k-го измерения жидкость двигалась с наименьшей скоростью; ио — время обработки измерительным комплексом полученных результатов.

Измерительный комплекс работает следующим образом.

После старта программы, находящейся в микро-3ВМ схема управления 22 запускает генератор импульсов тока

12 и приводит полностью идентичные по своим электрическим схемам управляемые таймеры 13 в исходное состояние, при котором триггерные входы компараторов 17 установлены и сигналы с выходов компараторов разрешают счетчикам 19 подсчет импульсов от генератора тактовых импульсов 21. Импульсы с другого выхода генератора поступают на таймер 29, который определяет момент окончания работы измерительного комплекса. Сигнал i-rо канала попадает на вход соответствующего управляемого таймера 13, где усиленный операционным усилителем 14 поступает на один вход компаратора

17 непосредственно, а на другой

его вход — через пиковый детектор

15. По достижении сигналом макси-, мального уровня срабатывает компаратор 17, который своим выходным импульсом останавливает счетчик 19 и перебрасывает триггер 18. Импульс с выхода триггера определяет следующую последовательность сигналов: сброс триггерного входа компаратора 17, что устраняет возможность его переключения в исходное состояние; открывание разрядного ключа

16 и разряд пикового детектора 15, запуск схемы задержки и сброса 20.

Выходной сигнал схемы задержки и сброса возвращает в прежнее состоя

1161826 ние тригrер 18, сигнал с выхода которого запирает разрядный ключ 16, устанавливает триггерный вход компаратора 17, а также посылает в схему управления 22 сигнал останова счетчика 19.

Счетчик i — ro канала хранит число А;= ь;/t; где t„ — период повто,п, рения импульсов генератора 21. Отсюда определяется время ь ;, за которое жидкость перенесла тепловую метку от нагревателей до термоприемников i-го канала. После останова всех счетчиков 19 схема управления 22 посылает в крейт-контроллер 23 сигнал запроса, по приему которого данные со счетчиков через магистраль KAMAK 28 и крейт-контроллер поступают в микро-3ВМ 27.

ITo этим данным микро-3ВМ 27 вычисляет секундный расход V и заносит его в память. Затем схема управления 22 снова запускает генератор импульсов тока 12, устанавливает управляемые таймеры 13 в исходное состояние и цикл определения секунд. ного расхода повторяется. По истечении времени t за которое требу5 ется определить расход жидкости V з срабатывает таймер 29, сигнал с выхода которого позволяет микро-3ВМ ! 27 перейти к определению конечного результата и выводу его на печатающее устройство 26. Контроль работы измерительного комплекса осуществляется через дисплей 24. Ввод программы в микро-3ВМ производится через фотосчитыватель 25.

Применение изобретения в результате эффекта мультипликации полезного сигнала каждым рядом термоприемников в сочетании с распределением этих рядов по сечению трубопровода

20 и применением вычислительного комплекса на базе микро-ЭВМ и аппара— туры KANAK позволяет учитывать реальную эпюру скоростей и определять расход жидкости с высокой точностью.

1161826

1161826

Фиг..

Составитель А. Ерошкевич.

Техред А.Кикемезей Корректор С. Шекмар

Редактор К. Волощук

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,4

Заказ 3963/45 Тираж 703 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5