Устройство для измерения расхода текучих сред

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения расхода жидкости, газа и пара в напорных трубопроводах. Устройство для измерения расхода состоит из измерительного участка трубопровода, включающего в себя по направлению потока последовательность диффузора и конфузора, соединенных по максимальным сечениям и имеющих концевые стыковочные участки одного диаметра с контролируемым трубопроводом. По ходу движения потока среды минимальное и максимальное сечения устройства соединены дополнительным трубопроводом малого диаметра, в разрыве которого установлен расходомер-счетчик. Шкала показаний расходомера-счетчика градуирована в диапазоне предполагаемых расходов текучей среды по контролируемому трубопроводу. Изобретение обеспечивает расширение динамического диапазона измерения расхода при одновременном упрощении схемы измерения. 5 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в газовой и нефтедобывающей промышленности для определения расхода жидкости, газа и пара в напорных трубопроводах.

Известны расходомеры переменного перепада давления, принцип действия которых основан на измерении перепада давления, создаваемого при протекании текучей среды (жидкого или газообразного вещества) каким-либо сужающим устройством, установленным внутри трубопровода (Монахов В.И. Измерение расхода и количества жидкости, газа и пара. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962, стр.5). При протекании текучей среды через сужающее устройство вследствие перехода потенциальной энергии давления в кинетическую энергию средняя скорость потока в суженном сечении повышается, в результате чего статическое давление потока после сужающего устройства уменьшается. Разность этих давлений (перепад давления) зависит от расхода протекающей среды и может служить мерой расхода, причем расход Q (объемный и массовый) и перепад давления (ΔР=Р₁-Р₂) функционально связаны квадратичной параболической зависимостью. В настоящее время наиболее распространенными стандартными сужающими устройствами являются: нормальная диафрагма, нормальное сопло и труба (сопло) Вентури (Хансуваров К.И., Цейтлин В.Г. Техника измерения давления, расхода, количества и уровня жидкости, газа и пара. М.: Издательство стандартов, 1990, стр.137).

При протекании текучей среды через названные сужающие устройства неизбежны потери энергии, пропускная способность их, как датчиков давления, ограничена, а полученные с их помощью результаты измерений далеко не всегда надежны, в особенности в случае трубопроводов большого диаметра.

Известен также ряд других устройств, реализующих способ измерения расхода текучих сред с помощью парциальных расходомеров, которые осуществляют измерения определенной доли расхода основного потока измеряемой среды, протекающей через обводную трубу, то есть в обход какого-либо трубного сопротивления (например, диафрагмы) в основном потоке. Между основным расходом Q в трубопроводе и расходом q в обводной трубе существует зависимость

из которой может быть определен основной расход Q по величине измеренного расхода q (Монахов В.И. Измерение расхода и количества жидкости, газа и пара. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962, стр.86-87).

Применение парциальных расходомеров выгодно тогда, когда установка чувствительных элементов (преобразователей расхода) расходомеров в основном потоке нежелательна (например, большая потеря напора) или конструктивное исполнение расходомера для основного потока затруднительно. Применение парциальных расходомеров в большинстве случаев нецелесообразно, так как им, в принципе, присущи те же недостатки, что и указанные нами выше для расходомеров переменного перепада давления.

Известны также расходомеры расширяющего типа, использующие в качестве датчиков давления канал с набором в той или иной последовательности элементов диффузорно-конфузорного типа.

Известно устройство (RU №2157973 С2, МПК G 01 F 1/36, G 01 F 1/44, 1997) для определения расхода текучих сред. Известное устройство содержит трубчатое тело с входным патрубком и последовательно: участок-диффузор, участок с максимальным сечением, участок-конфузор и выходной патрубок. Внутри патрубков (входного и выходного) размещены два ряда продольных ребер, которые определенным образом спрофилированы, благодаря чему скорость проходящей текучей среды через входной и выходной патрубки увеличивается, а следовательно, уменьшается статическое давление. В то же время скорость в расширенной части устройства (на стыке диффузора и конфузора) понижается и, следовательно, статическое давление увеличивается. Отбор и способ измерения давлений осуществляется соответственно штуцерами и дифференциальными манометрами. На основании измеренных перепадов в трех сечениях определяется расход по известным формулам с помощью вычислителя.

Недостатком известного технического решения измерения расхода текучих сред в трубопроводе является приборная перегруженность (три дифманометра, вычислитель), конструктивная усложненность, малый динамический диапазон измеряемых расходов, а также невозможность использования его для измерения расхода текучих сред в прямом и обратном направлениях потока.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) к заявляемому устройству является устройство (RU №2224984 С2, G 01 F 1/36, 27.02.2004) для измерения расхода жидкости, газа и пара. Устройство представляет собой так же, как и описанный выше, расходомер переменного перепада давления на трубопроводах различного назначения, конструктивно первичный преобразователь расходомера переменного перепада давления выполнен в виде встроенного в трубопровод трубчатого тела с измерительным каналом, содержащим входной и выходной цилиндрические участки с полными поперечными сечениями и расположенные между этими участками по прямому потоку текучей среды входной участок переменного сечения, переходный участок, разделенный поровну характерным поперечным сечением, и выходной участок переменного сечения. Для отбора давления в поперечных сечениях выполнены отверстия со штуцерами для присоединения преобразователей давления. Достоинство технического решения (прототипа) состоит в том, что за счет симметричной конструкции оно позволяет измерять расход как в прямом, так и в обратном направлении потока текучей среды.

Недостатком известного технического решения (прототипа) измерения расхода текучей среды (жидкости, газа, пара) является приборная перегруженность (три дифманометра, вычислитель), конструктивная усложненность и ограниченный динамический диапазон измеряемых расходов.

Таким образом, цель создания заявляемого объекта (иначе - требуемый технический результат) заключается в обеспечении известному техническому решению более высоких потребительских свойств путем упрощения конструкторского решения и расширения динамического диапазона измерения расхода.

Как показывают стендовые и промышленные испытания заявляемого устройства и опыт эксплуатации прототипа-устройства, требуемый технический результат достигается тем, что устройство для измерения расхода текучих сред, состоящее из встраиваемого в трубопровод измерительного участка, включающего в себя по направлению движения текучей среды последовательность диффузора и конфузора, соединенных по максимальным сечениям S₂ и имеющих концевые стыковочные участки того же номинального диаметра (размера), что и контролируемый трубопровод, снабжено дополнительным трубопроводом малого диаметра и расходомером-счетчиком, который установлен на этом, малого диаметра, трубопроводе, соединяющем по направлению движения текучей среды минимальное сечение S₁ и максимальное сечение S₂ устройства соответственно, причем шкала показаний расходомера-счетчика градуирована в диапазоне предполагаемых расходов текучей среды по контролируемому трубопроводу.

Требуемый технический результат обеспечен наличием в совокупности существенных признаков (характеризующих предлагаемое устройство для измерения расхода текучих сред в трубопроводе) вышеуказанных отличительных признаков, а необнаружение в общедоступных источниках патентной и технической информации эквивалентных технических решений с теми же свойствами предполагает соответствие заявляемого объекта «критериям» изобретения.

На графических материалах к описанию объекта приведены: на фигуре 1 - принципиальная схема устройства для измерения расхода текучих сред, на фигурах 2 и 3 представлены результаты исследований при режимах работы объекта на воде, а на фигурах 4 и 5 - аналогичные результаты работы объекта при его продувке воздухом.

Устройство (см. фигуру 1) состоит из измерительного участка трубопровода, включающего в себя по направлению потока диффузор 1 и конфузор 2, соединенные по максимальным сечениям и на концах которых расположены концевые стыковочные участки 3 и 4 одного диаметра с трубопроводом. По ходу движения потока текучей среды минимальное сечение S₁ и максимальное сечение S₂ устройства соединены дополнительным трубопроводом 5 малого диаметра, в разрыве которого установлен расходомер-счетчик 6.

Устройство работает следующим образом.

При протекании текучей среды от первого концевого стыковочного участка 3 и далее через расширяющийся участок диффузора 1 в последнем скорость потока постепенно уменьшается, а давление увеличивается. Согласно закону сохранения механической энергии часть кинетической энергии движущейся среды превращается в потенциальную. В результате статическое давление потока достигает своего максимума в максимальном по площади сечении диффузора, что, в конечном счете, вызывает перепад давления ΔР, определяемый по формуле

где P₁ и Р₂ соответственно статические давления в наименьшем сечении (концевой стыковочный участок) и в наибольшем по площади сечении расширенного участка диффузора.

За счет образовавшегося перепада давления часть потока через дополнительный трубопровод 5 с установленным на нем расходомером-счетчиком поступает в основной трубопровод.

Часть основного потока, отбираемая под действием перепада давления ΔР в точке «а», далее через расходомер возвращается в основной поток в точке «d». Таким образом, в кольце a-b-c-d происходит вращение части основного потока, непрерывно возобновляемого. В общем случае, используя работы (Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Справочник. Изд. 4. Л.: «Машиностроение», 1989, с.511-512 и Хансуваров К.И., Цейтлин В.Г. Техника измерения давления, расхода, количества и уровня жидкости, газа и пара. М.: Издательство стандартов, 1990, с.135, 136), можно записать:

где κ₁ и κ₂ - некоторые постоянные величины (см. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Справочник. Изд. 4. Л.: «Машиностроение», 1989, с.511-512). Преобразуем уравнения 3 и 4 к виду:

Решая совместно уравнения 5 и 6 и опуская промежуточные преобразования, получим окончательно

где κ=1+m; q - расход в отобранном потоке дополнительного трубопровода 5.

Константа κ учитывает конкретные конструктивные параметры устройства (диаметры основного и дополнительного трубопроводов, углы диффузорности α₁ и α₂) и определяется в каждом конкретном случае экспериментально в процессе градуировки устройства.

По показаниям расходомера-счетчика 6, реализующего алгоритм измерения расхода по формуле 7, судят о расходе потока основного трубопровода.

Как уже говорилось выше, основным недостатком расходомеров переменного перепада давления, в том числе и устройства (прототипа), является их малый динамический диапазон измерения в силу того, что измеряемая величина (перепад давления ΔР) является квадратической функцией расхода Q. Таким образом, применяемый в каждом конкретном случае дифманометр, как средство измерения расхода, должен иметь динамический диапазон в квадрате от соответствующего динамического диапазона измерения расхода текучей среды. Например, если динамический диапазон измерения расхода Q составляет 1:10, то динамический диапазон измерения ΔР должен быть равным 1:100 при сохранении соответствующей точности измерения. Технически это условие при существующей технике измерения давления не может быть выполнено, в противном случае потребуются дополнительные технические средства, расширяющие диапазон измерения давления, что повлечет за собой техническую перегруженность устройства и его удорожание.

В предлагаемом устройстве (см. фигуру 1) применение расходомера-счетчика, имеющего значительный динамический диапазон измерения расхода (1:100 и выше), расширяет динамический диапазон измерения расхода основного трубопровода, что и подтверждается зависимостями (см. фигуры 2 и 4).

Поскольку измерительный трубопровод (концевой стыковочный участок - диффузор - конфузор - концевой стыковочный участок) симметричен (α₁=α₂) относительно вертикального сечения (граница диффузора и конфузора), можно предположить, что устройство для измерения расхода текучих сред будет работоспособно при изменении направления потока текучей среды, что расширяет функциональные возможности устройства. Сравнительный анализ приведенных зависимостей (см. фигуры 2...5) позволяет сделать следующие вывод: применение расходомеров-счетчиков в дополнительном трубопроводе малого диаметра конструктивно упрощает схему измерения расхода и расширяет динамический диапазон измерения расхода текучих сред.

Таким образом, предложенное устройство позволяет измерять расход текучей среды, используя для этого встраиваемый в трубопровод измерительный участок, включающий в себя по направлению движения текучей среды последовательность диффузора и конфузора, соединенных по максимальным сечениям S₂ и имеющих концевые стыковочные участки того же номинального диаметра (размера), что и контролируемый трубопровод, дополнительный трубопровод малого диаметра и расходомер-счетчик, который установлен на этом малого диаметра трубопроводе, соединяющем по направлению движения текучей среды минимальное сечение S₁ и максимальное сечение S₂ устройства соответственно. По показаниям расходомера-счетчика судят о расходе основного потока.

Совокупность существенных признаков (в том числе и отличительных) заявляемого устройства для измерения расхода текучих сред обеспечивает достижение требуемого технического результата, соответствует критериям «изобретения» и подлежит защите охранным документом (патентом) РФ в соответствии с просьбой заявителя.

Устройство для измерения расхода текучих сред, состоящее из встраиваемого в трубопровод измерительного участка, включающего в себя по направлению движения текучей среды последовательность диффузора и конфузора, соединенных по максимальным сечениям S₂ и имеющих концевые стыковочные участки того же номинального диаметра (размера), что и контролируемый трубопровод, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным трубопроводом малого диаметра и расходомером-счетчиком, который установлен на этом трубопроводе малого диаметра, соединяющем по направлению движения текучей среды минимальное сечение S₁ и максимальное сечение S₂ устройства соответственно, причем шкала показаний расходомера-счетчика градуирована в диапазоне предполагаемых расходов текучей среды по контролируемому трубопроводу.