Устройство для измерения малых объемных расходов газов и паров

 

(?2) Авторы изобретения

В.И. Никаноров и Е.М. Компанец!

««».

««у.Э (7! ) Заявитель

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения малых объемных расходов газов и паров.

Известны преобразователи расхода с гидравлическим сопротивлением, потеря давления в которых зависит

Это достигается тем, что в устройстве для измерения малых объемных расходов, содержащем многопластинчатые плоские конденсаторы, установленные в двух измерительных участках и включенные в мостовую измерительную схему, многопластинчатые конденсаторы установлены в двух последовательно расположенных измерительных участках, причем одни пластины конденсаторов (через одну) проходят через оба измерительных участка, а другие выполнены раздельно для каждого измерительного участка, последовательно с раздельными пластинами на входе первого измерительного участка и выходе второго установлены охранные электроды, а величина зазора проточных щелевых каналбв между пластинами конденсаторов определяется по формуле от расхода (1 1.

Наиболее близким является устрой16 ство для измерения малых объемных расходов газов и паров, содержащее многсцтластинчатые плоские конденсаторы, установленные в двух измерительных участках и включенные в мос13 товую измерительную схему (2 j.

Известное устройство имеет невысокую точность измерения за счет наличия потерь давления на входе и выходе плоских каналов проточного датчика, а также достаточно сложную конструкцию.

Цель изобретения — повышение точности измерения.

5ЕО

cp o С (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ ОБЪЕМНЫХ

РАСХОДОВ ГАЗОВ И ПАРОВ

870943 где С1 — вакуумная емкость идентичных конденсаторов;

НСр- величина среднего зазора (толщина, канала);

6g — длина укороченных пластину

Ь вЂ” ширина канала между пластинами конденсаторов;

Яо — диэлектрическая проницаемость вакуума.

На фиг. 1 представлен датчик расходомера, вид сбоку; на фиг.2 — то же, вид сверху на фиг.3 — - сечение проточного канала датчика по А-А на фиг.l„ на фиг,4 — разрез Б-Б на фиг.2 на фиг.5 — сечение по В-В на фиг.4„ на фиг.6 — схема измерительного трансформаторного моста; на фиг.7 — схема одиночного щелевого проточного канала и график изменения давления среды по его длине.

Датчик расходомера фиг.l состоит из плоских пластин 1-6, размещенных в прямоугольных вырезах фланцев 7, приваренных к цилиндрическому корпусу 8. Пластины 1-5 со всех сторон покрыты электроизоляционным слоем

1 с весьма малыми проводимостью и смачиваемостью, например фторопластом.

Пластины 6 выполнены из нержавеющей стали. Все пластины 1-6 размещены так, что образуют длинные плоские щели, в которых. устанавливается ламинарный режим течения контролируемой среды, подводимой (и отводимой) к датчику по трубопроводу через сопрягаемые с ним фланцы 9 и конусные насадки 10. Эти насадки приварены к фланцам 9 и фланцам 11, которыми насадки 10 плотно прикрепляются к фланцам

7 корпуса 8 с помощью фторопластовых прокладок 12, болтов 13 и -аек 14.

В прямоугольных вырезах фланцев 7 (фиг.2) размещены несущие пластины

15, имеющие с внутренней, обращенной к потоку, стороне продольные пазы 16, в которые плотно вставлены пластины 1-5, покрытые фторопластом и тем самым электрически изолированные от заземленных несущих пластин

15. На узких гранях пластчн 15 выполнены пазы 17, в которые уложены металлические пластины 6, плотно прикрепленные к пластинам 15. Пластины 1-.5, 6 и 15 удерживаются в фланцах 7 от продольного смещения фторопластовыми прокладками 12 и фланцами

11 (фиг.l), имеющими также прямоугольные вырезы, но меньших размеров, чем прямоугольные вырезы в фланцах 7.

4

Пластины 2 (фиг. 1) имеют длину достаточную для стабилизации ламинарного режима потока, и заземлены.

Аналогично пластины 5 имеют длину, достаточную для исключения потерь давления на выходе, и также заземлены. Пластины 3 и 4 имеют одинаковую длину. На них имеет место линейное падение давления контролируемой среды за счет вязкостного трения.

Пластины 1,3 и 1,4 образуют два последовательно размещенные в потоке конденсатора. Пластины 1 для них являются общими. Пластины 3 и 4, а также 2 и 5 размещены в поперечном сечении датчика попеременно с пластинами 1 (фиг.1,3 и 4). Все пластины

2 и 5 электрически соединены между собой и корпусом 8. Аналогично все пластины 1,3 и 4 электрически .соответственно соединены между собой.

Для такого соединения в несущих пластинах 15 имеются поперечные пазы

18 (фиг.4 и 5). Концы пластин, выходящие из пазов 16 в пазы 18, освобождены от фторопластовой пленки и к ним присоединены электропроводники 19,20 и 21 соответственно к параллельным пластинам i 3 и 4. Эти проводники подключены к трем электропроводам (фиг.5), состоящим из резьбовых гаек 22, фторопластовых уплотнений 23, коаксиальных стержней 24 и нажимных гаек 25. Резьбовые гайки 22 приварены к корпусу 8 и через отверстия,в нем к стержням 24 присоединены электропроводники 19,20 и 21. Снаружи от электровводов отходят три коаксиальных радиочастотных кабеля к вторичному прибору.

Датчик покрыт тепловой изоляцией и имеет температуру трубопровода.

Для точных измерений он термостатируется.

Вторичный прибор является автоматическим квазиуравновешенным трансформаторным мостом с аналоговым или цифровым выходом (и при необходимости с регулирующим устройством), предназначенным для точного измерения разности емкостей конденсаторов, составленных из пластин 1-3 и 1-4.

Мост (фиг.6) состоит из плечевого трансформатора напряжения 26, на первичную обмотку 27 которого подается питающее напряжение. Со вторичной, синфазно включенной, обмотки 28 одинаковые напряжения подаются по коаксиальным кабелям через соответствующие

5 8 электровводы на параллельно включенные пластины 3 и 4. Пластины 1, являющиеся общими для конденсаторов с пластинами Э и 4, через соответствующие элактроввод и кабель подключены в диагонали моста к блоку 29, состоящему из фазочувствительного селективного усилителя, схемы управления уравновешивающим конденсатором

30 и схемы индикации результата измерения. В пластинах 6 выполнены отверстия 31 для заполнения пространст ва между корпусом 8 и пластинами 6 и 15 контролируемой средой °

Устройство работает следующим образом.

При постоянной температуре датчика и отсутствии потока емкости конденсаторов, составленных из пластин 1-3 и 1-4, одинаковы. Вторичный прибор при равновесии трансформаторного моста индицирует нулевые показания.

Поток среды провода через конусную насадку входит в длинные щели между пластинами 1-4,5 а также между пластинами 6 и 2,3,4,5. В этих уз ких щелях устанавливается ламинарный режим течения с вязкостным трением. Максимальная величйна расхода контролируемого потока должна соответствовать предельному критерию

Рейнольдса для ламинарного потока в этих целях.

На начальном участке между пластинами 1 и 2, а также 6 и 2 происходит нелинейное изменение давления за счет имеющихся потерь давления на входе (фиг,7). Здесь режим движе ния стабилизируется и по толщине зазора устанавливается параболическое распределение скорости контролируемого потока. Длина пластин 2 выбрана по предельной величине критерия Рейнольдса для соответствующих верхнего предела измерения устройства и коэффициента динамической вязкости контролируемого потока.

Стабилизированный ламинарный поток поступает на участки щелей между пластинами 1-3 и 1-4 и соответственно, 6-3, 6-4. Здесь имеет место линейное изменение давления текущей среды, описываемое законом Пуазейля. Суммарный перепад давлений, возникающий на длине пластин 3 и 4, пропорционален объемному расходу протекающего потока. Эта же величина объемного расхода пропорциональна перепадам давлений, возникающим

70943 .6 на длине каждой пластины 3 и 4, если их длины одинаковы. 3а счет наличия перепадов давлений на пластинах 3 и 4, в щелях между пластинами 1,3 и 1,4 устанавливаются неодинаковые средние давления. Причем среднее давление на пластине 3 больше, чем среднее давление на пластинь 4. Этим средним давлениям соответствуют Heof

10 динаковые средние плотности и ди-. электрические проницаемости в конденсаторах, составленных иэ пластин

1,3 и 1,4. Средняя диэлектрическая проницаемость в конденсаторе иэ пластин l 3 больше, чем в конденсаторе из пластин 1,4. Соответственно увеличивается емкость конденсатора (из пластин 1,3)расположенного первым по направлению движения ламинарного потока, по сравнению с емкостью конденсатора (из пластин 1,4), размещенного вторым в потоке.

Вследствие возникшей разности емкостей этих конденсаторов нарушается баланс трансформаторного моста (фиг.6) на трансформаторе напряжения 26, в плечи которого включены эти емкости. Разность емкостей конденсаторов из пластин !,3 и 1,4 компенсируется увеличением емкости уравновешивающего конденсатора 30, управляемого блоком 29, который пос ле завершения балансировки моста индицирует результат измерений.

На концевом участке щелей между пластинами 1,5 и 6,5 имеет место нелинейное изменение давления протекающей среды за счет выходных потерь.

Поток контролируемой среды после плоских щелей направляется в конусную насадку 10 и затем в трубопровод, сочлененный с датчиком фланцем 9.

Пространство между корпусом датчика

8 и пластинами 6 и 15 заполняется контролируемой средой через отверстия

31 в пластинах 6.

При движении между пластинами 1 6и

2-5 сжимаемой среды за счем возникающего перепада давлений имеется дросселирование и соответствующее увеличение объемного расхода, которое учитывается введением поправки к расчетной формуле расхода.

Расход зависит от разности ди— электрических проницаемостей измеряемой среды в конденсаторах, составленных из пластин 1,3 и 1,4 или pasности емкостей этих конденсаторов.

87094

Эта зависимость объемного расхода от изменения диэлектрической проницаемости измеряемого газа при постоянной его температуре описывае ая соотношением 5

5H" nK о Рср L + + ср-")1 где К, Т, t — газовая постоянная, температура и вязкость 10 контролируемого потока соответственно

Ь 1 — ширина и длина пластин

Зи4;

Н вЂ” средняя величина зазора между пластинами

1 и 3 (4)

Р E — удельная поляризация ср и диэлектрическая проницаемость.газа при среднем давлении в каналах;

К вЂ” поправочный коэффициент на расширение контролируемого потока; 25

И вЂ” число параллельно включенных каналов

6 6- разность средних диэлектрических проницаемостей в конденсаторах из плас- 5п тин 7 3 и 1,4.

Описываемая конструкция датчика позволяет величину зазора между пластинами 1 и 3,4 измерять электрическим способом, что повышает точность из" мерения расхода. Для этого датчик перед установкой в трубопровод вакуумируется и измеряются последовательно емкости конденсаторов, составленных иэ пластин 1,3 и 1,4. Зазем-,@ ленные пластины 2 и 5 являются охраннымн электродами. При измерениях каждой вакуумной емкости остальные пластины эаземляются.

В таком случае блок индикации

29 вторичного прибора градуируется согласно соотношению

RT (Q g<> )

v 4q \, С j о р р ца

-Ъ где Я 8,85419 10 пф/мм — диэлектО рическая проницаемость вакуума;

Q,hC- средняя вакуумная емкость и изменение емкости соответственно конденсаторов с пластинами

1,3 и 1,4.

Для технических измерений поправочный коэффициент на расширение

3 8 измеряемой среды определяется по соотношению

3RTaC

РсрсвЕ3 (Еср- ) Р

P<ð- среднее давление измеряемой среды в проточных каналах.

Причем коэффициент К с увеличением давления потока уменьшается.

Наличие в конструкции датчика заземленных пластин 2,5;6 и 75, выполняющих роль охранных электродов позволяет значительно уменьшить краевые эффекты при измерении емкости измерительных конденсаторов. А это, в свою очередь, исключает механические измерения малой величины среднего зазора, которые не могут быть выполнены точно. Определение зазора производится электрическими измерениями вакуумной емкости идентичных конденсаторов С н С согласно соотношению

Описываемое устройство позволяет точно измерять малые и пульсирующие расходы за счет малых перепадов давления на датчике и получения пульсирующего изменения емкости на трансформаторном мосте, точно повторяющего временное изменение расхода.

Кроме того, обеспечивается линейная Ф шкала устройства и измерение расхода в пределах всей шкалы.

Формула изобретения

Устройство для измерения малых объемных расходов газов и паров, содержащее многопластинчатые плоские конденсаторы, установленные в двух измерительных участках и включенные в мостовую измерительную схему, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, миогопластинчатые конденсаторы установлены в двух последовательно расположенных измерительных участках, причем одни пластины конденсаторов (через одну) проходят через оба измерительных участка, а другие пластины выполнены раздельно для каждого измерительного участка последовательно с раздельными пластинами на входе первого измерительного участка и.выходе второго установлены охранные электроды, а величина зазора проточных щелевых каналов между пластинами де "В

4—

Ь— фиа 1

9 конденсаторов определяется по формуле вакуумная емкость идентичных конденсаторов; величина среднего зазора (толщина канала) длина укороченных пластин; ширина канала между пластинами конденсаторов;

870943 l0 p — диэлектрическая проннцае мость вакуума.

Источники информацию принятые во внимание при экспертизе

1. Кремлевский П.П. Расходомеры и и счетчики количества. Л.. Namsoстроение", 1975. Глава 5.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке 0- 2713961/18-10, кл. 8 01 F 1/64, 17.01.79 (прототип).

870943

Фиг. 7

Составитель Н. Андреева

Редактор О. Филиппова Техред A.Áàáèíåö Корректор В. Бутяга

Заказ 8417Т10 Тираж 705 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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