Счетчик газа - расходомер

Авторы патента:

G01F3 - Устройства для измерения расхода газов, жидкостей или сыпучих тел, приводящиеся в движение потоком этих тел и пропускающие их в виде последовательных, более или менее разделенных, дискретных доз (измерение соотношений расхода G01F 5/00)

Полезная модель относится к области измерения объема (расхода) газа, протекающего по трубопроводам и поступающего к потребителю под относительно низким давлением (от 0,05 кг/см²) с расходом от 0,01 до 15 м3/час. Полезная модель может быть использована в системе газоснабжения коммунального хозяйства и предприятий, а также в быту для индивидуальных потребителей. Счетчик газа - расходомер, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, последовательно соединенные между собой входную, промежуточную и выходную полости, чувствительный элемент в виде конуса с валом, на котором закреплена турбинка, наружная поверхность конуса снабжена пазами, выполненными по винтовой линии, а также содержащий опору конуса, выполненную с конической поверхностью, обращенной к конусу, основание с радиальными отверстиями, относительно которого турбинка установлена с зазором, и регистрирующее устройство, снабжен стаканом, сопряженным с корпусом посредством шарового шарнирного соединения, при этом регистрирующее устройство, опора конуса и основание с радиальными отверстиями размещены внутри стакана и жестко с ним соединены; корпус может быть выполнен из двух отдельных частей - верхней, содержащей стакан с расположенными в нем элементами, и нижней, содержащей входной и выходной патрубки. Уменьшается погрешность измерений при отклонении устройства при его установке от заданного положения.

Известен счетчик газа - расходомер турбинного типа, содержащий вертикальный датчик, корпус с калиброванным каналом, в верхней части которого смонтирован полый усеченный конус с вершиной на входе потока, вал с турбинкой, компенсационный диск подъемного элемента и электрический преобразователь; с целью обеспечения возможности измерения расхода нисходящего потока жидкости, в нем подъемный элемент выполнен в виде закрепленного на одном с турбинкой валу и помещенного в обтекатель кольцевого шнека, имеющего направление винтовой линии, аналогичное направлению винтовой линии лопаток турбинки, SU 265478, 01.01.1970.

Недостатком данного устройства является низкая чувствительность и достаточно большая погрешность. Его применение при среднем (1-1,5 кг/см²) и низком (0,05-0,7 кг/см² ) давлении, а также малых (бытовых) расходах газа (0,5-1 м^3/час) практически невозможно. Устройство может работать только в вертикальном положении, при работе в горизонтальном положении погрешность измерений значительно возрастает из-за появления моментов реактивных сил в опорах вала, на который насажена турбинка.

Известен также турбинный расходомер, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, расположенную соосно входному патрубку гидродинамически уравновешенную турбинку, выполненную в виде диска с тангенциальными окнами на боковой поверхности, при этом ее диаметр превышает диаметр входного канала, а также узел съема частоты вращения турбинки; диск со стороны выходного патрубка выполнен с глухой стенкой, а со стороны входного патрубка конусным, при этом входной патрубок по форме повторяет входной торец турбинки, SU 1691687 A1, 15.11.1991.

Недостатком данного расходомера так же, как и вышеописанного аналога, является то обстоятельство, что он может работать только в вертикальном положении из-за недопустимо больших погрешностей при работе в горизонтальном положении. Кроме того, следует отметить, что значительная часть разветвляющегося потока газа проходит в зазор между турбинкой и корпусом, в результате чего при малых расходах и давлениях газа устройство практически неработоспособно, либо результаты измерений имеют весьма большую погрешность.

Известен также счетчик газа - расходомер, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, последовательно соединенные между собой входную, выходную и промежуточную полости, опору с конической поверхностью, чувствительный элемент, выполненный в виде конуса с валом, на котором закреплена турбинка, и регистрирующее устройство; устройство содержит основание с радиальными отверстиями, жестко связанное с опорой, снабженной осесимметричными отверстиями, выполненными под углом 44-46° к оси конуса чувствительного элемента, турбинка которого установлена соосно с кольцевым зазором относительно основания и снабжена тангенциальными отверстиями, наружная поверхность конуса чувствительного элемента снабжена пазами, выполненными по винтовой линии, конус выполнен с конусностью 92°±15, коническая поверхность опоры - с конусом 90°±15, а части кольцевого зазора, образованные верхними и нижними цилиндрическими поверхностями основания и турбинки, связаны между собой конической частью зазора, образованного их коническими поверхностями, при этом нижняя часть зазора выполнена с величиной не менее двух пограничных слоев рабочего тела, а коническая часть зазора - с величиной, определяемой минимальным и максимальным расходом рабочего тела, RU 2123666 C1, 20.12.1998.

Данное техническое решение принято в качестве прототипа настоящей полезной модели.

Устройство обеспечивает возможность функционирования при относительно малых расходах и давлениях, однако обладает удовлетворительной чувствительностью только при весьма точной его установке таким образом, что ось вращения подвижных элементов (турбинки и чувствительного элемента) строго вертикальна. Обеспечить это при первичном монтаже устройства, а также переустановке при периодических метрологических поверках, практически, невозможно или весьма трудоемко, особенно, с учетом массового использования счетчиков в коммунальном хозяйстве. Вместе с тем, даже незначительное отклонение оси вращения турбинки и чувствительного элемента от вертикального положения влечет за собой существенное увеличение погрешности измерений. Даже при отклонении этой оси на 2-3° погрешность измерений возрастает на 3-5% при допустимой погрешности не более 1,5%.

Задачей настоящей полезной модели является уменьшение погрешности измерений при отклонении устройства при его установке от заданного положения.

Согласно полезной модели счетчик газа - расходомер, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, последовательно соединенные между собой входную, промежуточную и выходную полости, чувствительный элемент в виде конуса с валом, на котором закреплена турбинка, наружная поверхность конуса снабжена пазами, выполненными по винтовой линии, а также содержащий опору конуса, выполненную с конической поверхностью, обращенной к конусу, основание с радиальными отверстиями, относительно которого турбинка установлена с зазором, и регистрирующее устройство, снабжен стаканом, сопряженным с корпусом посредством шарового шарнирного соединения, при этом регистрирующее устройство, опора конуса и основание с радиальными отверстиями размещены внутри стакана и жестко с ним соединены; корпус может быть выполнен из двух отдельных частей - верхней, содержащей стакан с расположенными в нем элементами, и нижней, содержащей входной и выходной патрубки.

Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии полезной модели условию патентоспособности «Новизна».

Благодаря реализации отличительных признаков п. 1 формулы полезной модели достигается технический результат, состоящий в компенсации отклонений устройства при его установке от заданного положения за счет автоматического обеспечения строго вертикального положения оси вращения подвижных элементов устройства. Выполнение корпуса из двух частей обеспечивает возможность отсоединения для метрологической проверки верхней части корпуса от нижней без снятия последней с трубопровода потребителя, что упрощает монтаж устройства после проверки, который сводится только к соединению обеих частей корпуса.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где изображено:

на фиг. 1 - продольный разрез устройства по оси вращения подвижных элементов;

на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1;

на фиг. 3-фрагмент Б на фиг. 1 в увеличенном масштабе;

на фиг. 4 - разрез В-В на фиг. 1;

на фиг. 5 - чувствительный элемент в виде конуса, вид спереди;

на фиг. 6 - разрез Г-Г на фиг. 5;

на фиг.7 - устройство при его отклонении на угол от заданного положения при установке; ось вращения подвижных элементов сохраняет при этом вертикальное положение;

на фиг. 8 - вариант устройства в соответствии с п.2 формулы полезной модели.

Счетчик газа - расходомер содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками. Входная 4, промежуточная 5 и выходная 6 полости последовательно соединены между собой. Чувствительный элемент выполнен в виде конуса 7 с валом 8, на котором закреплена турбинка 9. В верхней части корпуса 1 выполнены сквозные отверстия 10. Наружная поверхность конуса 7 снабжена пазами 11, выполненными по винтовой линии (фиг. 5), придающими конусу 7 дополнительное вращение. Устройство содержит опору 12 конуса, выполненную с конической поверхностью, обращенной к конусу 7, основание 13 с радиальными отверстиями 14, относительно которого турбинка 9 установлена с зазором, и регистрирующее устройство 17.

Счетчик газа - расходомер снабжен стаканом 15, который сопряжен с корпусом 1 посредством шарового шарнирного соединения 16 через слой смазывающего вещества. Регистрирующее устройство 17 размещено внутри стакана 15 и соединено с ним посредством перегородки 21 с отверстиями 22. Также внутри стакана 15 размещены и соединены с ним опора 12 конуса 7 и основание 13. Корпус 1 закрыт съемной крышкой 18. Выходной патрубок 3 сообщается с выходной полостью посредством отверстий 19, а входной патрубок 2 сообщается с входной полостью 4 посредством отверстий 20. Для упрощения демонтажа и повторной установки счетчика корпус 1 может быть выполнен из двух отдельных, жестко между собой соединенных частей - верхней, содержащей стакан 15 с укрепленными в нем элементами и нижней, содержащей входной 2 и выходной 3 патрубки.

Устройство работает следующим образом.

В исходном положении (отбор газа не производится) полости 4,5,6 находятся под давлением газа, равным давлению в трубопроводе. Турбинка 9 чувствительного элемента находится в неподвижном состоянии. Конус 7 лежит на опоре 12.

При отборе газа потребителем понижается давление в выходном патрубке 3 и выходной полости 6. Из-за образовавшегося перепада давлений между выходной полостью 6 и входной полостью 4 газ из входного патрубка 2 через отверстия 20 в корпусе 1 и далее через радиальные отверстия 14 в основании 13 попадает в промежуточную полость 5. Проходя через радиальные отверстия в основании 13 и турбинку 9, газ начинает вращать турбинку 9 и соединенный с ней через вал 8 конус 7, при этом конус 7 приподнимается с образованием зазора между ним и опорой 12. Из промежуточной полости 5 газ попадает в зазор между конусом 7 и опорой 12. Проходя через указанный зазор газ затем проходит через отверстия 22 в перегородке 27, отверстия 10 в корпусе 1, попадает в выходную полость 6 и через выходной патрубок поступает к потребителю.

В качестве регистрирующего устройства 17 в конкретном примере использован датчик вращения MRUS74X производства фирмы Texas Instruments, США. Устройство 17 регистрирует обороты конуса 7 и выдает соответствующий сигнал на микроконтроллер (на чертежах не показан). В данном примере использован микроконтроллер STM32L100C6U6 (Китай). Микроконтроллер преобразует сигнал, поступающий от регистрирующего устройства 17, в значение объема газа, прошедшего через счетчик, либо в расход газа. Информация об объеме/расходе газа отображается на цифровом индикаторе.

При прекращении отбора газа давление в полостях 4, 5, 6 выравнивается. Конус 7 опускается на опору 12 под действием собственного веса и веса, соединенной с ним турбинки 9, перекрывая зазор между конусом 7 и опорой 12. В случае неточности установки счетчика газа - расходомера на трубопроводе эта неточность компенсируется за счет поворота стакана 15, поскольку при смещении вертикальной оси симметрии корпуса 1 на угол на стакан 15 действует крутящий момент, величина которого зависит от расстояния Ь и массы внутренних элементов (стакана 15, конуса 7, турбинки 9, опоры 12, основания 13, перегородки с регистрирующим устройством 17).

M_кр =mgLsin()-M_тр,

где M_кр - крутящий момент, действующий на стакан 15;

m - суммарная масса стакана 15 и находящихся в нем элементов;

g - ускорение свободного падения;

L - координата общего центра тяжести стакана 15 и закрепленных в нем элементов относительно центра сферической поверхности 16;

- угол отклонения оси корпуса 1 от вертикали;

M_тр - момент трения в слое смазывающего вещества между сопрягаемыми сферическими поверхностями стакана 15 и корпуса 1.

В результате действия на стакан 15 крутящего момента M_крсохраняется вертикальное положение оси 23 вращения подвижных элементов устройства, что обеспечивает уменьшение погрешности измерений при отклонении устройства от заданного положения при его установке на трубопроводе.

Изготовлены и испытаны опытные образцы устройства. Испытания показали, что счетчик функционирует без дополнительной погрешности при значениях угла в пределах ±14°.

Указанные обстоятельства позволяют, по мнению заявителя, сделать вывод о соответствии полезной модели условию патентоспособности «Промышленная применимость».

1. Счетчик газа - расходомер, содержащий корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками, последовательно соединенные между собой входную 4, промежуточную 5 и выходную 6 полости, чувствительный элемент в виде конуса 7 с валом 8, на котором закреплена турбинка 9, наружная поверхность конуса 7 снабжена пазами 11, выполненными по винтовой линии, опору 12 конуса 7, выполненную с конической поверхностью, обращенной к конусу 7, основание 13 с радиальными отверстиями 14, относительно которого турбинка 9 установлена с зазором, и регистрирующее устройство 17, отличающийся тем, что снабжен стаканом 15, сопряженным с корпусом 1 посредством шарового шарнирного соединения 16, при этом регистрирующее устройство 17, опора 12 конуса 7 и основание 13 с радиальными отверстиями 14 размещены внутри стакана 15 и жестко с ним соединены.

2. Счетчик газа - расходомер по п.1, отличающийся тем, что корпус выполнен из двух отдельных частей - верхней, содержащей стакан 15 с расположенными в нем элементами, и нижней, содержащей входной и выходной патрубки.