Вихревой способ измерения объема протекшего вещества



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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения расхода газа или жидкости, в частности в промышленных магистральных трубопроводах.

Изобретение относится к сборочному узлу, содержащему канал для текучей среды и расходомер, и к способу измерения расхода текучей среды. .

Изобретение относится к измерительной системе для измерения плотности среды, являющейся изменяющейся в отношении термодинамического состояния, в частности, по меньшей мере, частично сжимаемой, протекающей в технологическом трубопроводе, таком как технологическая магистраль или труба, вдоль оси потока в измерительной системе.

Изобретение относится к области диагностики энергетических установок и может использоваться преимущественно в атомной энергетике для контроля герметичности парогенераторов, в которых греющим теплоносителем является жидкий металл (натрий, свинец, свинец-висмут), передающий тепло воде и водяному пару через поверхность теплообмена.

Изобретение относится к измерительной системе для измерения при помощи измерительного преобразователя, по меньшей мере, одного измеряемого переменного параметра, в частности массового расхода, например удельного массового расхода, плотности, вязкости, давления или подобных характеристик среды, протекающей в технологическом трубопроводе, а также к формирователю потока, занимающему промежуточное положение между измерительным преобразователем и технологическим трубопроводом.

Изобретение относится к измерительной системе для измерения при помощи измерительного преобразователя, по меньшей мере, одной измеряемой переменной, в частности, массового расхода, например, удельного массового расхода, плотности, вязкости, давления или подобных характеристик среды, протекающей в технологическом трубопроводе, а также к формирователю потока, занимающему промежуточное положение между измерительным преобразователем и технологическим трубопроводом.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для имитационной поверки вихревых водосчетчиков в условиях, близко соответствующих реальной работе.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения расхода электропроводных жидкостей в водо-, теплоснабжении, энергетике, химической, пищевой, целлюлозно-бумажной и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения расходов жидких сред

Изобретение относится к измерительной технике, преимущественно к средствам контроля потоков жидких металлов, и может быть использовано, например, для измерения расхода и количества жидкометаллических теплоносителей в ядерных энергетических установках

Изобретение относится к измерительной технике, а конкретно к вихревым расходомерам, предназначенным для измерения расхода жидкостей и газов, и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства для целей контроля, регулирования и учета потоков веществ. Вихревой расходомер содержит трубопровод 1, расположенное поперек потока тело обтекания 2, два пьезоэлемента 3, 4, установленных диаметрально противоположно за телом обтекания, генератор сигнала ультразвуковой частоты 5, генератор прямоугольных импульсов 6, фазовращатель 7 на π/2, два ключа 8, 9, фазовый детектор 10, полосно-пропускающий фильтр 11 и блок преобразования сдвига фаз в выходной сигнал 12. Выходной сигнал генератора прямоугольных импульсов 6 представляет собой последовательность прямоугольных импульсов со скважностью два и длительностью, равной времени задержки ультразвукового сигнала в контролируемой среде. Технический результат - повышение надежности измерений во всем диапазоне рабочих значений температуры, упрощение функциональной схемы расходомера. 3 ил.

Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано для измерения расхода газа с повышенной чувствительностью. Способ измерения расхода газа, состоящий в том, что создают колебания измеряемого газового потока струйным элементом с частотой, пропорциональной его расходу, затем выполняют пьезоэлектрическое преобразование колебаний в электрические импульсы и при этом определяют расход газа по количеству импульсов, отличающийся тем, что одновременно с пьезоэлектрическим преобразованием выполняют термоанемометрическое преобразование колебаний потока в электрические импульсы, по которым определяют расход газа, а импульсами, полученными от пьезоэлектрического преобразования обеспечивают электроэнергией термоанемометрическое преобразование. Технический результат - повышение чувствительности и расширение диапазона измерения расхода газа. 1 ил.

В изобретении раскрыто устройство, выполненное с возможностью детектирования физической величины, например плотности, движущейся текучей среды, при этом устройство включает в себя: тело (2) датчика, выполненное с возможностью простираться в движущуюся текучую среду, при этом тело датчика содержит волоконную брэгговскую решетку (FBG) датчика (3, 7, FBG) на основе волоконной брэгговской решетки для генерирования сигнала детектора, относящегося к колебанию, по меньшей мере, части (2В) тела (2) датчика; и блок обработки, выполненный с возможностью обработки сигнала детектора и определения физической величины на основе детектированного колебания на частоте собственных механических колебаний гибкой части (2В) тела (2) датчика. 4 н. и 31 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и представляет собой вихревой электромагнитный расходомер. Устройство содержит измерительный участок, тело обтекания, постоянный магнит, индукционную катушку. Измерительный участок выполнен в виде трубопровода. Тело обтекания установлено по диаметру измерительного участка так, чтобы его продольная ось была перпендикулярна потоку жидкометаллического теплоносителя. Постоянный магнит и индукционная катушка расположены внутри тела обтекания, при этом линия, соединяющая полюса постоянного магнита, образует угол с продольной осью измерительного участка, а ось индукционной катушки образует угол с линией, соединяющей полюса постоянного магнита. Технический результат - упрощение конструкции расходомера и повышение точности определения расхода жидкометаллического теплоносителя. 2 ил.
Наверх