Устройство для измерения расхода текучих сред

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ТЕКУЧИХ СРЕД относится к области измерительной техники и может быть использовано, преимущественно, в газовой и нефтедобывающей промышленности для определения расхода жидкости, газа и пара в напорных трубопроводах. Устройство для измерения расхода текучих сред выполнено в виде трубчатого тела (с переменным сечением канала по длине, встраиваемого в контролируемый с помощью концевых стыковочных участков того же номинального диаметра трубопровод) и содержит последовательность, по направлению движения текучей среды, диффузора и конфузора. Новым в устройстве является то, что минимальное и максимальное сечения устройства гидравлически сообщены дополнительным трубопроводом малого диаметра и расходомером-счетчиком, а о расходе текучей среды в контролируемом трубопроводе судят по показаниям расходомера-счетчика, установленного на дополнительном трубопроводе малого диаметра.

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована 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 (Р=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, осуществляющих измерение определенной доли расхода основного потока измеряемой среды, протекающей через обводную трубу 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.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) к заявляемому устройству является устройство (РФ, патент №2157975, МПК G 01 F 1/36, 1997) определения расхода текучих сред. Известное устройство-прототип 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 тоже 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 (устройства) измерения расхода жидкости (газа) в трубопроводе является приборная перегруженность (три дифманометра, вычислитель), конструктивная усложненность и малый 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, выполненное в виде трубчатого тела (с переменным сечением канала по длине, встраиваемого в трубопровод), содержащее концевые стыковочные участки того же номинального диаметра (размера), что и контролируемый трубопровод, а также, как минимум, последовательность, по направлению движения текучей среды, диффузора и конфузора, снабжено дополнительным трубопроводом малого диаметра и расходомером-счетчиком, который установлен на этом, малого диаметра, трубопроводе, концы которого гидравлически сообщены с каналом трубчатого тела в точках его минимального и максимального сечений соответственно, причем шкала показаний расходомера- счетчика градуирована в единицах объемного расхода в диапазоне предполагаемых расходов текучей среды по контролируемому трубопроводу.

Требуемый технический результат обеспечен наличием в совокупности существенных признаков (характеризующих 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» полезной модели.

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 (фиг.1) состоит из измерительного участка трубопровода, включающего в себя по направлению потока диффузор 1 и конфузор 2, соединенных 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 S ₁ 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 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 Р, определяемый по формуле

где P₁ и P ₂ соответственно статические давления в наименьшем сечении (концевой участок) и в наибольшем по площади сечении расширенного участка диффузора.

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

Часть основного потока, отбираемая под действием перепада давления Р в точке «а», и 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. По показаниям расходомера-счетчика б судят о расходе потока основного трубопровода по формуле

Q=k·q,

где k - константа, учитывающая конкретные конструктивные параметры устройства для реализации способа, параметры физического состояния и параметры транспортировки текучей среды;

q - расход в отобранном потоке дополнительного трубопровода 5 малого диаметра.

Интересно отметить, что при подключении дополнительного трубопровода малого диаметра к диффузору в местах его минимального (S ₁) и максимального (S₂) сечений в диффузоре протекает поток текучей среды с расходом Q ₂Q₁, где Q₁ - расход основного измеряемого потока, на величину q, то есть можно записать следующее уравнение (см. рисунок):

или

Из этих уравнений видно, что при движении основного потока между сечениями S₁ и S ₂ с учетом противотока потока в дополнительном трубопроводе малого диаметра уравнение постоянства расхода сохраняется.

Поскольку измерительный трубопровод (концевой стыковочный участок - диффузор - конфузор - концевой стыковочный участок) симметричен 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 выводы:

- применение расходомеров-счетчиков в дополнительном трубопроводе малого диаметра конструктивно упрощает схему измерения расхода и расширяет динамический диапазон измерения расхода текучих сред;

- устройство работоспособно при любом направлении потоки текучей среды в контролируемом трубопроводе.

Таким образом, предложенное устройство позволяет измерить расход текучей среды, используя для этого измерительный участок трубопровода, выполненный в виде трубчатого тела с расширенной (диффузор) и суженной (конфузор) частями и дополнительный трубопровод малого диаметра с установленным на нем расходомером-счетчиком, причем, концы дополнительного трубопровода малого диаметра гидравлически сообщены с каналом трубчатого тела в точках его минимального и максимального давлений. 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 «полезной модели» и подлежит защите охранным документом (патентом) РФ в соответствии с просьбой заявителя.

Устройство для измерения расхода текучей среды, выполненное в виде трубчатого тела [с переменным сечением канала по длине, встраиваемого в трубопровод], содержащее концевые стыковочные участки того же номинального диаметра (размера), что и контролируемый трубопровод, и последовательность, по направлению движения текучей среды, диффузора и конфузора, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным трубопроводом малого диаметра и расходомером-счетчиком, который установлен на этом, малого диаметра, трубопроводе, концы которого гидравлически сообщены с каналом трубчатого тела в точках его минимального и максимального сечений соответственно, причем шкала показаний расходомера-счетчика градуирована в диапазоне предполагаемых расходов текучей среды по контролируемому трубопроводу.