Вихревой способ измерения объема протекшего вещества
Владельцы патента RU 2478916:
Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение измерительной техники" (RU)
Вихревой способ измерения объемного количества протекшего вещества заключается в том, что в измерительном канале счетчика количества вещества создают регулярную последовательность вихрей, регистрируют каждый вихрь в виде электрического импульса, измеряют текущие значения частоты следования импульсов f, а также температуры и давления среды. Вычисляют косвенным способом текущее значение кинематической вязкости вещества ν: для жидкости - по температуре, для газа или пара - по температуре и давлению. Вычисляют число Рошко Rо=h2·f/ν, где h - ширина тела обтекания. Вычисляют для каждого импульса в отдельности объем вещества ΔW, приходящийся на один импульс, с использованием текущего значения числа Струхаля Sh по формуле ΔW=KГ/Sh, где КГ - геометрический коэффициент, определяемый, например, как произведение ширины тела обтекания h на площадь поперечного сечения измерительного канала в его самом узком сечении (πd4/4-h·d). Текущее значение Sh вычисляют подстановкой текущего значения числа Рейнольдса Re в полученную при градуировке счетчика в рабочем диапазоне значений Re зависимость Sh(Re). Текущее значение Re вычисляют по формуле Re=-b+Ro/a, где а и b - коэффициенты аппроксимирующей зависимости Sh=a·(1+b/Re). Объем протекшего вещества W определяют по формуле
, где N - общее число зарегистрированных за время измерения импульсов. Технический результат - повышение точности измерений во всем диапазоне эксплуатационных значений числа Рейнольдса. 1 ил.
Изобретение относится к измерительной технике, а конкретно к вихревым способам измерения объемного количества текучих, жидких или газообразных веществ в напорных трубопроводах, и может быть использовано для контроля потоков веществ в энергетике, коммунальном хозяйстве и других отраслях промышленности.
Известен вихревой способ [1] измерения объема вещества, а именно жидкости, газа или пара, протекшего через счетчик количества, в соответствии с которым в измерительном канале счетчика создают регулярную последовательность вихрей, регистрируют прохождение каждого переносимого потоком вихря в виде электрического импульса, суммируют импульсы за заданный интервал времени At и определяют объем прошедшей среды W как произведение числа просуммированных импульсов N и определенного путем предварительной градуировки постоянного весового коэффициента К:
Недостатком способа является пониженная точность в нижней части диапазона измерений, обусловленная непостоянством весового коэффициента К.
Указанного недостатка лишен выбранный в качестве прототипа вихревой способ измерения объемного количества протекшего вещества [2], согласно которому в измерительном канале счетчика количества вещества создают регулярную последовательность вихрей, регистрируют прохождение каждого переносимого потоком вихря в виде электрического импульса, суммируют импульсы за контролируемый промежуток времени Δt, измеряют текущие значения частоты следования импульсов f, а также температуры и давления среды, вычисляют косвенным способом текущее значение кинематической вязкости среды ν: для жидкости - по ее температуре, для газа или пара - по его температуре и давлению, вычисляют вспомогательный параметр
вычисляют через r текущее значение весового коэффициента К(r), реперные (опорные) значения которого определяют путем предварительной градуировки счетчика в заданном диапазоне значений r, и объем протекшего вещества W определяют как произведение числа просуммированных за время Δt импульсов N и переменного весового коэффициента К(r):
При этом весовой коэффициент K(r) отождествляется с объемом вещества ΔW, приходящимся на один импульс.
Недостатком способа является невозможность достижения максимальной точности измерений, так как согласно уравнению измерений вихревого счетчика количества вещества [3]
где Sh - число Струхаля, С - постоянный коэффициент,
а в общем случае
Технический эффект изобретения заключается в повышении точности измерений во всем диапазоне рабочих (соответствующих условиям эксплуатации) значений числа Рейнольдса Re.
Указанный технический эффект достигается тем, что в способе измерения объемного количества вещества, а именно жидкости, газа или пара, заключающемся в создании в измерительном канале счетчика количества вещества регулярной последовательности вихрей, регистрации каждого вихря в виде электрического импульса, измерении текущих значений частоты следования импульсов f, а также температуры и давления вещества, вычислении косвенным способом текущего значения кинематической вязкости вещества ν: для жидкости - по температуре, для газа или пара - по температуре и давлению, вычислении объема вещества ΔW, приходящегося на один импульс, и суммировании значений ΔW, объем ΔW вычисляют для каждого импульса в отдельности с использованием текущего значения Sh по формуле ΔW=KГ/Sh, где KГ - геометрический коэффициент, определяемый, например, как произведение ширины тела обтекания h на площадь поперечного сечения измерительного канала с внутренним диаметром d в его самом узком сечении (πd2/4-h·d), где текущее значение Sh вычисляют подстановкой текущего значения Rе в полученную при градуировке счетчика в рабочем диапазоне значений Re зависимость Sh(Re), текущее значение Re вычисляют по формуле Re=-b+Rо/a, где a и b - коэффициенты аппроксимирующей функцию Sh(Re) зависимости Sh=a·(1+6/Rе), Rо - число Рошко, которое вычисляют по формуле Rо=h2·f/ν, а объем протекшего вещества W определяют по формуле 
, где N - общее число зарегистрированных за время измерения импульсов.
Уравнение измерений вихревого расходомера имеет вид [4]:
где VT - скорость потока в самом узком сечении, h - ширина тела обтекания.
Скорость VT связана со средней скоростью потока V на входе в измерительный канал соотношением:
где m=h/d. Переходя к объемному расходу Q, получаем:
где КГ=h·(πd2/4-h·d)=d3·(π/4-m)m.
Как известно, Sh является функцией Re [5]:
где ν - кинематическая вязкость, являющаяся функцией температуры θ (для жидкости) либо температуры θ и давления p (для пара и газа).
Таким образом, в общем случае объем вещества W, прошедший через счетчик за время Δt, равен
где величина под знаком суммы
представляет собой объем вещества, приходящийся на один импульс, i - порядковый номер импульса и N - общее число импульсов, зарегистрированных за контролируемый интервал времени Δt.
Исходя из имеющихся экспериментальных данных, функцию φ(Re)для вихревого расходомера с телом обтекания трапецеидального сечения можно записать в виде:
Так как F(Re)<<1, то:
Используя определение числа Рошко Ro [6]
из (12) и (13) получаем:
Re≈-b+Ro/a. (16)
Выражение (16) определяет приближенное значение Re, вычисляемое через Rо. Подставляя полученное значение Re в формулу (13), получаем соответствующее значение φ(Re), а подставляя φ(Re) в (12) - значение объема вещества ΔW, приходящегося на один импульс, определенное практически с той же точностью, с которой определена при градуировке зависимость Sh(Re). Как показывают расчеты, дополнительная погрешность, обусловленная неточностью определения Re по формуле (14), имеет второй порядок малости по сравнению с погрешностью счетчика и составляет не более 0,01%. Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает определение объема вещества, приходящегося на один импульс, практически с максимально возможной точностью.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором схематично представлено устройство, реализующее предлагаемый способ.
Счетчик количества вещества состоит из измерительного канала (узлы 1-5) и электронного блока (узлы 6-11). Во входной части измерительного канала 1 располагают плохообтекаемое тело 2 в виде призматического стержня трапецеидального сечения, продольная ось которого перпендикулярна оси измерительного канала 1, а большее основание направлено навстречу набегающему потоку. За телом обтекания в потоке располагают чувствительные элементы расхода 3, температуры 4 и давления 5. С помощью тела обтекания 2 в измерительном канале 1 создают регулярную последовательность вихрей. С помощью чувствительного элемента расхода 3 фиксируют прохождение вихрей, а с помощью чувствительных элементов 4 и 5 измеряют температуру и давление контролируемой среды. Выходные сигналы чувствительного элемента расхода 3 и чувствительных элементов температуры 4 и давления 5 подают на входы усилителей-формирователей 6, 7 и 8, которые преобразуют их в выходные нормализованные импульсный и токовые сигналы. Последние подают на соответствующие входы микроконтроллера 9 с внешней энергонезависимой памятью 10. В память микроконтроллера 9 заносят: зависимость Sh(Re) в виде, например, координат (Shj, Rej) точек на графике Sh-Re; зависимость вязкости среды от температуры и давления в виде, например, коэффициентов аппроксимирующей эту зависимость функции; коэффициенты a и b аппроксимирующей зависимость Sh(Re) функции Sh=a·(1+b/Rе), значения параметров KГ и d.
Программа микроконтроллера 9 обеспечивает выполнение следующих операций. По внешнему сигналу начинают измерение каждого периода выходного сигнала чувствительного элемента путем заполнения его импульсами стабилизированной частоты и вычисление скользящего среднего значения выходной частоты f. По текущим значениям сигналов чувствительных элементов температуры 4 и давления 5 вычисляют текущее значение кинематической вязкости ν. Далее вычисляют значения Ro=h2·f/ν, а через Ro вычисляют Re=-b+Ro/a. По значениям Re определяют значения Sh, используя снятую при градуировке счетчика зависимость Sh(Re); промежуточные значения определяют путем линейной интерполяции. После этого вычисляют объем, приходящийся на каждый импульс, по формуле ΔW=Kr/Sh и по мере поступления импульсов подсчитывают текущее значение объема прошедшего вещества 
, где N - общее число просуммированных импульсов. По поступлении внешнего сигнала, например, от таймера вычисления прекращают и фиксируют величину объема на табло 11.
Из приведенного описания следует, что заявляемый способ обеспечивает проведение измерений непосредственно в соответствии с основным уравнением вихревого расходомера (11), чем обеспечивается практически максимально возможная точность измерений во всем диапазоне скоростей потока ~0,2-10 м/с. При этом, так как величину ΔW определяют отдельно для каждого импульса, высокая точность измерений обеспечивается и при переменном расходе.
Была проведена экспериментальная проверка заявляемого способа на воде, для чего был соответствующим образом запрограммирован вихревой счетчик-дозатор жидкостей типа ВДУ-65 с диаметром проточной части d=40 мм. Счетчик имел встроенный преобразователь температуры. Перед проверкой погрешности была проведена градуировка счетчика, т.е. снята зависимость Sh(Re) на расходомерном стенде объемного типа, оборудованном высокоточной трубопоршневой установкой.
Погрешность ВДУ-65 определялась на воде на весовой поверочной установке, аттестованной с погрешностью измерения массы ±0,05%. В связи с этим в программу микроконтроллера была введена операция умножения весового коэффициента на плотность воды. Разность показаний ВДУ-65 и поверочной установки при величине дозы 500 кг на расходах 3,5; 12 и 24 м3/ч не превышала ±0,15%. Таким образом, было подтверждено, что применение предлагаемого способа обеспечивает возможность создания вихревых счетчиков количества жидкости с погрешностью ±0,2%.
Литература
1. Киясбейли А.Ш., Перельштейн М.Е. Вихревые измерительные приборы, М., Машиностроение, 1978, с.73-79.
2. Патент RU №2291400, С2, МПК G01F 1/32, опубл. 20.07.2007.
3. Киясбейли А.Ш., Перельштейн М.Е. Вихревые измерительные приборы, М., Машиностроение, 1978, с.75.
4. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник. - 4-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989, с.364.
5. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике, Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1967 г., с.71-76.
6. Патент USA №7487686 C2, МПК G01F 1/32, НКИ 73/861.22, опубл. 19.06.2008.
Вихревой способ измерения объемного количества протекшего вещества, а именно жидкости, газа или пара, заключающийся в создании в измерительном канале счетчика количества вещества регулярной последовательности вихрей, регистрации каждого вихря в виде электрического импульса, измерении текущих значений частоты следования импульсов f, а также температуры и давления вещества, вычислении косвенным способом текущего значения кинематической вязкости вещества ν: для жидкости - по температуре, для газа или пара - по температуре и давлению, вычислении объема вещества ΔW, приходящегося на один импульс, и суммировании значений ΔW, отличающийся тем, что объем ΔW вычисляют для каждого импульса в отдельности по формуле ΔW=KГ/Sh, где КГ - геометрический коэффициент, определяемый, например, как произведение ширины тела обтекания h на площадь поперечного сечения измерительного канала с внутренним диаметром d в его самом узком сечении (πd2/4-h·d), Sh - текущее значение числа Струхаля, которое вычисляют подстановкой текущего значения числа Рейнольдса Re в полученную при градуировке счетчика в рабочем диапазоне значений Re зависимость Sh(Re), текущее значение Re вычисляют по формуле Re=-b+Ro/a, где a и b - коэффициенты аппроксимирующей зависимости Sh=a(1+b/Re), Ro - число Рошко, которое вычисляют по формуле Ro=h2·f/ν, а объем протекшего вещества W определяют по формуле
, где N - общее число зарегистрированных за время измерения импульсов.
