Вихревой расходомер

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения расходов жидких и газообразных сред с определением динамических характеристик потока текучей среды. Расходомер содержит участок трубопровода, тело 2 обтекания для создания областей вихреобразования, установленное в трубопроводе перпендикулярно оси трубопровода, цилиндрическую камеру 4 в теле обтекания, сообщающуюся двумя каналами 3, выведенными в области вихреобразования на противоположных сторонах тела обтекания симметрично относительно плоскости, проходящей через продольную ось трубопровода, и узел съема сигнала с чувствительным элементом 8, который свободно размещен в цилиндрической камере. Дополнительно предусмотрены ограничители 5 хода чувствительного элемента в цилиндрической камере. Узел съема сигнала выполнен в виде излучателя 6 и приемника 7 излучения, образующими оптический или волоконно-оптический датчик, оптическая ось которого пересекает ось цилиндрической камеры между ограничителями хода чувствительного элемента. Чувствительный элемент 8 выполнен в виде шара из материала, оптически прозрачного в частотном диапозоне излучателя, а излучатель и приемник съема сигнала -монохроматическими. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения расхода жидких и газообразных сред.

Известен вихревой расходомер, содержащий тело обтекания со сквозным щелевым каналом, расположенное перпендикулярно оси трубопровода, установленный вдоль оси канала пластинчатый элемент, вторичный преобразователь и источник питания (Авторское свидетельство СССР N 459672, кл. G 01 F 1/00, 1975).

Недостатками данного расходомера являются узкий диапазон и невысокая точность измерений, так как при больших скоростях измеряемой среды, сопровождающихся большой частотой срыва вихрей, проявляются инерционные свойства пластины. При малых скоростях среды разность давлений на противоположных плоскостях пластинчатого элемента недостаточна для генерирования полезного сигнала необходимой амплитуды. Кроме того, вторичный преобразователь расходомера выполнен на основе пьезоэлектрического элемента, имеющего высокое внутреннее сопротивление, требует надежной электрической изоляции от измеряемой среды, что усложняет конструкцию и понижает надежность чувствительного элемента.

Известны также вихревые расходомеры, содержащие тело обтекания со сквозным щелевым каналом, расположенным перпендикулярно его продольной оси, гибкую электропроводящую пластину и стержневой электрод, свободно размещенные в канале, вторичный преобразователь, источник питания, конденсатор и ограничительный резистор (Патент Российской Федерации N 2010164, кл. G 0 F 1/00, 1994 г., Патент Российской Федерации N 200547, кл. G 01 F 1/00, 1993 г. ) При движении измеряемой среды электропроводящая пластина совершает поперечные колебания с частотой, пропорциональной скорости потока, что приводит к модуляции расстояния между пластиной и электродом, а следовательно, и межэлектродного сопротивления. Изменение межэлектродного сопротивления преобразуется вторичным преобразователем в выходной сигнал измерительного элемента.

Основным недостатком данных устройств является ограничение функциональных возможностей из-за их непригодности для измерения расходов диэлектрических и газообразных сред. Кроме того, резонансная частота пластины ограничивает верхний предел диапазона измерений.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по техническим возможностям и достигаемому результату является вихревой расходомер, содержащий установленное в трубопроводе перпендикулярно его продольной оси тело обтекания, в котором выполнен индуктивный узел съема сигнала с чувствительным элементом, свободно размещенным в цилиндрической камере, сообщающийся двумя каналами, выведенными на противоположные стороны тела обтекания, симметричные относительно плоскости, проходящей через продольные оси трубопровода и тела обтекания, с областью вихреобразования (Патент Российской Федерации N 2002208, кл. G 01 F 1/32, 1993).

Недостатками данного устройства являются недостаточная надежность и точность измерений вследствие низкой помехозащищенности индуктивного узла съема информации, приводящей к сбоям и ложным срабатываниям измерительного тракта в результате воздействии акустических и вибрационных помех, наводок от токов промышленной частоты и присутствующих в измеряемой среде случайных металлических включений. Кроме того, на выходе индуктивного узла съема сигнала формируется дифференциальный сигнал сложной формы, помеховая составляющая которого зависит от частоты и характера пульсаций чувствительного элемента, что в значительной мере усложняет обработку информации вторичным преобразователем.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в расходомер, содержащий участок трубопровода, по которому проходит измеряемая среда, тело обтекания для создания областей вихреобразования, установленное в трубопроводе перпендикулярно оси трубопровода, цилиндрическую камеру в теле обтекания, сообщающуюся двумя каналами, выведенными в области вихреобразования на противоположных сторонах тела обтекания симметрично относительно плоскости, проходящей через продольную ось трубопровода, и узел съема сигнала с чувствительным элементом, который свободно размещен в цилиндрической камере, дополнительно введены ограничители хода чувствительного элемента, а узел съема сигнала выполнен в виде оптического или волоконно-оптического датчика, оптическая ось которого пересекает ось цилиндрической камеры между ограничителями хода чувствительного элемента, причем чувствительный элемент выполнен в виде сплошного или полого шара из материала, оптически прозрачного в частотном диапазоне излучателя, а излучатель и приемник узла съема сигнала - монохроматическими. Такое техническое решение обеспечивает защищенность измерительного тракта расходомера от воздействия акустических и электромагнитных помех, а следовательно - высокую надежность и точность измерений в самых сложных условиях применения.

Частотный выходной сигнал узла съема сигнала имеет прямоугольную форму, обеспечивает долговременную стабильность показаний, воспроизводимость, отсутствие дрейфа нуля и не требует сложных схем его преобразования.

На фиг. 1 изображен поперечный разрез участка трубопровода с вихревым расходомером; на фиг. 2 - то же, продольный разрез.

Вихревой расходомер (фиг. 1 и 2) содержит участок трубопровода и тело обтекания 2, установленное перпендикулярно оси трубопровода. Тело обтекания может выполняться в виде цилиндра, призмы прямоугольного, треугольного, трапецеидального сечения или иметь более сложную форму. Внутри тела обтекания 2 выполнены каналы 3, сообщающие область вихреобразования измеряемой среды в трубопроводе с цилиндрической камерой 4. Ограничители 5 могут быть штыревого типа и ограничивают ход чувствительного элемента 8 на половине его диаметра от оптической оси узла съема сигнала с одной стороны и на целый диаметр - с другой.

Такое асимметричное ограничение позволяет получать на выходе узла съема сигнала электрический сигнал прямоугольной формы, не требующий дальнейшего преобразования.

Монохроматический излучатель 6 и приемник излучения 7 образуют фотоэлектрический узел съема сигнала. Узел сема сигнала может выполняться и в виде оптического или волоконно-оптического датчика. Более подробно об этих датчиках можно узнать в технической литературе (например, Справочная книга по светотехнике М.: Энергоатомиздат, 1995 или Волоконно-оптическая связь. Приборы, схемы и системы. М.: Радио и связь 1982). В случае выполнения узла съема сигнала в виде волоконно-оптического датчика излучатель и приемник излучения устанавливаются вне тела обтекания, что расширяет функциональные возможности расходомера в случае его применения в экстремальных условиях (высокие температуры и давление, агрессивная среда). Длина волны излучателя составляет 0,96 мкм. Для этого излучения чувствительный элемент 8, выполненный, например, из полиамида 68, является собирающий линзой. Диаметр чувствительного элемента меньше диаметра поперечного сечения цилиндрической камеры, что позволяет ему свободно перемещаться под воздействием знакопеременных пульсаций давления измеряемой среды.

Расходомер работает следующим образом. При движении среды в трубопроводе 1 происходит периодический срыв вихрей с тела обтекания 2 и возникает вихревая дорожка Кармана. Чередование вихрей с одной и другой сторон тела обтекания 2 вызывает знакопеременные пульсации давления измеряемой среды на его боковых гранях. Частота пульсации давления согласно критерия Струхаля пропорциональна скорости среды, а следовательно, при постоянном характерном размере тела обтекания и объемному расходу измеряемой среды через сечение трубопровода. Указанные пульсации давления вызывают знакопеременное движение измеряемой среды в каналах 3 и цилиндрической камере 4 с расположенным в ней чувствительным элементом 8. При этом чувствительный элемент 8 увлекается потоком измеряемой среды и совершает колебательные движения между ограничителями 5, пересекая оптическую ось фотоэлектрического узла съема сигнала. На выходе приемника излучения 7 формируются импульсы прямоугольной формы, частота следования которых пропорциональна величине объемного расхода через измерительное сечение расходомера.

Заявляемое устройство обладает повышенной защищенностью к воздействию акустических и электрических помех, а следовательно высокой надежностью его работы и точностью измерений в экстремальных условиях.

Устройство работоспособно во всем диапазоне надежного вихреобразования и может быть использовано для измерения расходов газообразных и жидких сред независимо от их физических свойств.

Кроме того, расходомер имеет простую конструкцию чувствительного элемента и узла съема сигнала, является технологичным при его изготовлении и не требует точных схем преобразования выходного сигнала.

Формула изобретения

1. Вихревой расходомер, содержащий участок трубопровода, тело обтекания для создания областей вихреобразования, установленное в трубопроводе перпендикулярно к оси трубопровода, цилиндрическую камеру в теле обтекания, сообщающуюся двумя каналами, выведенными в области вихреобразования на противоположных сторонах тела обтекания симметрично относительно плоскости, проходящей через продольную ось трубопровода, и узел съема сигнала с чувствительным элементом, который свободно размещен в цилиндрической камере, отличающийся тем, что он снабжен ограничителями хода чувствительного элемента в цилиндрической камере, а узел съема сигнала выполнен в виде излучателя и приемника излучения, образующими оптический или волоконно-оптический датчик, оптическая ось которого пересекает ось цилиндрической камеры между ограничителями хода чувствительного элемента.

2. Расходомер по п.1, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен в виде шара из материала, оптически прозрачного в частотном диапазоне излучателя, а излучатель и приемник съема сигнала - монохроматическими.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2