одноструйный счетчик количества текучей среды(варианты)

Формула изобретения

1. Одноструйный счетчик количества текучей среды, содержащий корпус с впускным и выпускным каналами и внутренней камерой с расположенной в ней тангенциальной крыльчаткой, а также струенаправляющий аппарат, размещенный во входном окне корпуса перед крыльчаткой, узел съема и представления информации, отличающийся тем, что струенаправляющий аппарат выполнен в виде жалюзийной решетки, пластины которой, ориентированные длинными сторонами параллельно оси вращения крыльчатки, установлены под равными углами атаки и образуют пакет щелевых конфузоров.

2. Одноструйный счетчик по п.1, отличающийся тем, что углы схождения щелевых конфузоров жалюзийной решетки имеют общую вершину, расположенную в пределах радиуса крыльчатки на геометрической линии, параллельной оси ее вращения.

3. Одноструйный счетчик по п.2, отличающийся тем, что общая вершина углов схождения щелевых конфузоров жалюзийной решетки расположена на расстоянии 0,8 - 0,9 радиуса крыльчатки от оси ее вращения.

4. Одноструйный счетчик по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что при соосных диаметральных впускном и выпускном каналах жалюзийная решетка выполнена экранирующей поперечное сечение входного окна в диаметральном направлении, при этом степень перекрытия поперечного сечения входного окна пластинами жалюзийной решетки составляет не менее 0,7 его площади.

5. Одноструйный счетчик количества текучей среды, содержащий корпус с впускным и выпускным каналами, и внутренней камерой, в которой в цельноизвлекаемой кассете с входным и выходным окнами размещена тангенциальная крыльчатка, а также узел съема и представления информации, отличающийся тем, что он содержит струенаправляющий аппарат, выполненный в виде расположенной во входном окне цельноизвлекаемой кассеты жалюзийной решетки, пластины которой, ориентированные длинными сторонами параллельно оси вращения крыльчатки, установлены под разными углами атаки и образуют пакет щелевых конфузоров, углы схождения которых имеют общую вершину, расположенную в пределах радиуса крыльчатки на геометрической линии, параллельной оси ее вращения.

6. Одноструйный счетчик по п. 5, отличающийся тем, что общая вершина углов схождения щелевых конфузоров жалюзийной решетки расположена на расстоянии 0,8 - 0,9 радиуса крыльчатки от оси ее вращения.

7. Одноструйный счетчик по п.5 или 6, отличающийся тем, что при соосных диаметральных впускном и выпускном каналах жалюзийная решетка выполнена экранирующей поперечное сечение входного окна кассеты в диаметральном направлении, при этом степень перекрытия поперечного сечения входного окна кассеты пластинами жалюзийной решетки составляет не менее 0,7 его площади.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к приборостроению, в частности к средствам измерения количества протекающей через трубопровод жидкости (газа). Оно может быть использовано при проектировании и производстве квартирных и промышленных счетчиков количества для учета воды и тепловой энергии, переносимой ею в системах водо- и теплоснабжения, а также газовых счетчиков количества - для учета газа в системах газоснабжения.

Известны одноструйные счетчики количества жидкости, содержащие крыльчатку, установленную в вихревой камере корпуса с впускным и выпускным каналами, расположенными на одном уровне, тангенциально к вихревой камере, под углом друг к другу или соосно [1]. Известные счетчики такой конструкции имеют низкие метрологические показатели, в частности узкий диапазон измерений и сравнительно низкую чувствительность при малых скоростях течения жидкости, ввиду чего в стандартизованном ряду счетчиков количества занимают по диапазону измерения "ступеньку" не выше класса "B" по ГОСТ Р 50193 и международному стандарту ISO 4064.

Низкая чувствительность при малых скоростях обусловлена тем, что элементарные струи потока, поступающего в вихревую камеру счетчика через входное окно, не только имеют различные скорости в эпюре, но и на лопасти крыльчатки попадают с большим рассеянием по ее радиусу. Вследствие этого создаваемые ими (на разных радиусах приложения силы струй) моменты вращения имеют существенно различающиеся между собой значения. В результате этого существенно снижается эффективность использования кинетической энергии входящего потока. При больших скоростях течения потока это проявляется в меньшей степени, а при малых приводит к потере чувствительности и сужению диапазона измерения.

Известны многоструйные счетчики количества, в которых входной поток подается в вихревую камеру к крыльчатке по всей ее окружности - через множество равномерно рассредоточенных по периметру камеры входных окон [2]. Благодаря этому в создании момента вращения крыльчатки участвуют одновременно все лопасти и влияние разброса по элементарным моментам вращения на каждой отдельной лопасти тем самым компенсируется. Однако и это не обеспечивает увеличения диапазона измерения. Счетчики такого типа более сложны по конструкции, имеют увеличенные по сравнению с одноструйными счетчиками габариты из-за наличия двух расположенных одна над другой камер (входной и выходной) и дополнительных кольцевых каналов по периметру камер. Поэтому они более сложны также по технологии исполнения и требуют более тщательной обработки поверхностей, омываемых потоком.

Известны одноструйные счетчики количества текучих сред с соосным диаметральным (по отношению к вихревой камере) расположением впускного и выпускного каналов. К такому типу относится счетчик количества жидкости ("потокомер"), описанный в патенте ФРГ [3] . Известный счетчик содержит корпус с впускным и выпускным каналами и внутренней камерой с расположенной в ней крыльчаткой, а также струенаправляющий аппарат, размещенный во входном окне, перед крыльчаткой, и узел съема и представления информации. Струенаправляющий аппарат, предназначенный в таких счетчиках для создания тангенциальной составляющей от входящего диаметрального потока, в известном счетчике количества выполнен в виде сужающей шайбы ("Водометного диска") с малым центральным отверстием, установленной во входном окне под углом к осевой линии диаметрального впускного канала.

Счетчики такого типа и указанный, в частности, по диапазону измерений также не превосходят границ, очерченных для счетчиков класса "B", так как, формируя острую струю и повышая тем самым чувствительность при малых скоростях входящего потока, установленная перед крыльчаткой сужающая шайба полностью исключает возможность измерения количества при больших скоростях (при больших расходах), так как рассчитана на узконормированную величину расхода, и существенно повышает входное гидравлическое сопротивление счетчика. Такие счетчики, оснащенные шайбой конкретного калибра, могут работать только в узком диапазоне, из-за чего их нельзя использовать в качестве квартирных или промышленных водомеров. По входному сопротивлению они не удовлетворяют установленным стандартам для таких счетчиков, а использование их ограничивается некоторыми специзмерениями количества воды, например, в системах дозирования и смешения с заведомо ограниченным диапазоном расхода, а в случае изменения диапазона в них должна производиться замена шайбы на другую.

Особое место среди счетчиков количества текучей среды занимают одноструйный счетчик (водомер) завода "Водоприбор", в котором крыльчатка во внутреннюю камеру корпуса счетчика помещена в цельноизвлекаемой кассете, имеющей собственный корпус с крышкой, входным и выходным окнами [4]. Такое решение позволяет разделить чисто механические функции корпуса счетчика - функции гидроарматуры - и функции метрологические. В этом случае кассета становится самодостаточным метрологическим блоком, определяющим метрологические показатели счетчика количества в целом, чем существенно упрощаются задачи обслуживания счетчиков (ремонта и поверки).

Известный одноструйный счетчик количества содержит также впускной и выпускной каналы, сообщающиеся с внутренней камерой, в которой размещена цельноизвлекаемая кассета с заключенной в ней крыльчаткой, и узел съема и представления информации, установленный над кассетой.

Однако, несмотря на указанные достоинства, метрологические показатели и такого одноструйного счетчика количества в части диапазона измерения не превосходят показатели, установленные для счетчиков класса "B", из-за присущего одноструйным счетчикам недостатка первого аналога - низкой эффективности использования энергии входящего потока вследствие значительного рассеяния элементарных струй входящего потока по радиусу крыльчатки и несогласованности создаваемых этими струями элементарных моментов вращения между собой.

Необходимо также заметить, что одноструйные счетчики количества текучей среды, в которых впускной и выпускной каналы корпуса ориентированы тангенциально к вихревой камере под углом между собой или соосно более подвержены ошибкам и неточностям в изготовлении корпуса: влиянию неточности литья корпуса, его последующей обработки и качества поверхностей, омываемых контролируемой средой на входе, чем счетчики с диаметральным соосным расположением впускного и выпускного каналов. Поэтому для кассетных счетчиков количества корпус с тангенциальным расположением входного и выходного каналов, с точки зрения конструкционной воспроизводимости независимости от случайностей технологии представляется менее целесообразным, чем корпус с диаметральным соосным расположением этих каналов.

В основу предлагаемого изобретения положена задача расширения диапазона измерений одноструйных счетчиков количества текучей среды при ненормированных расходах.

Решение поставленной задачи в одноструйном счетчике количества текучей среды, содержащем корпус с впускным и выпускным каналами и внутренней камерой с расположенной в ней тангенциальной крыльчаткой, а также струенаправляющий аппарат, размещенный во входном окне, перед крыльчаткой, и узел съема и представления информации, обеспечивается тем, что струенаправляющий аппарат выполнен в виде жалюзийной решетки, при этом пластины жалюзийной решетки своими длинными сторонами ориентированы параллельно оси вращения крыльчатки. Благодаря такому выполнению струенаправляющего аппарата достигается не только формирование интенсивных структурных элементов потока (струй) из массива входящего потока, способствующих повышению чувствительности при малых скоростях последнего, но, в отличие от прототипа, и сохраняется способность счетчика к измерениям в диапазоне больших скоростей (больших расходов). Тем самым достигается расширение диапазона измерений и повышение точности без необходимости перенастройки счетчика каким-либо образом.

Решение поставленной задачи обеспечивается также тем, что пластины жалюзийной решетки установлены под разными углами атаки и своими профилями образуют пакет щелевых конфузоров. За счет этого еще в большей степени повышается интенсивность струйных течений, исходящих от входного окна, и как следствие эффективность использования энергии входящего потока как при малых, так и при больших скоростях его.

Решение задачи обеспечивается дополнительно и тем, что углы схождения щелевых конфузоров жалюзийной решетки, размещенной во входном окне, перед крыльчаткой, имеют общую вершину, лежащую в пределах радиуса крыльчатки на геометрической линии, параллельной оси ее вращения. Благодаря такому выполнению жалюзийной решетки все плоские струи, сформированные пакетом щелевых конфузоров, действуют согласованно, на одном и том же радиусе, создавая тем самым условия для получения наибольшего суммарного момента вращения на лопастях крыльчатки как при малых, так и при больших расходах входящего потока.

Достижение же наибольшего суммарного момента вращения крыльчатки обеспечивается тем, что общая вершина углов схождения щелевых конфузоров жалюзийной решетки расположена на расстоянии 0,8 - 0,9 радиуса крыльчатки от оси ее вращения, т.е. на максимально допустимом плече.

Решение задачи указанными выше путями обеспечивается как в счетчике с тангенциально ориентированными к вихревой камере впускным и выпускным каналами (расположенными под углом или соосно между собой), так и в счетчике с диаметрально ориентированными впускным и выпускным каналами. В частности, решение задачи обеспечивается также тем, что входное окно, в котором размещена жалюзийная решетка, расположено на одной осевой линии с диаметрально ориентированным впускным каналом, при этом жалюзийная решетка выполнена экранирующей поперечное сечение входного окна в диаметральном направлении.

За счет этого обеспечивается ограничение (или исключение) возможности прохождения части диаметрально входящего потока мимо пластин жалюзийной решетки, т. е. без создания необходимой для вращения крыльчатки тангенциальной составляющей (тангенциального течения). Такой поток не только не вносил бы вклад в создание момента вращения крыльчатки, но и в случае большой его доли, например, при перекрытии жалюзийной решеткой только 50% поперечного сечения входного окна, создавал бы противодействие вращению ее из-за встречной направленности по отношению к поочередно набегающим лопастям крыльчатки с противоположной стороны.

Решение поставленной задачи за счет выполнения жалюзийной решетки экранирующей обеспечивается при степени перекрытия поперечного сечения входного окна пластинами жалюзийной решетки, составляющей в свету не менее 0,7 его площади. При меньшей степени перекрытия наблюдается падение чувствительности при малых скоростях потока.

Кроме этого, решение поставленной задачи по второму варианту - в одноструйном счетчике количества текучей среды, содержащем корпус с впускным и выпускным каналами и внутренней камерой, в которой размещена тангенциальная крыльчатка, заключенная в цельноизвлекаемую кассету с входным и выходным окнами, а также узел съема и представления информации, обеспечивается тем, что он оснащен струенаправляющим аппаратом, выполненным в виде жалюзийной решетки и расположенным во входном окне кассеты, при этом пластины жалюзийной решетки своими длинными сторонами ориентированы параллельно оси вращения крыльчатки. Наряду с достоинствами такого решения задачи, указанными в отношении первого варианта счетчика количества (без кассеты), оснащение кассетного счетчика жалюзийной решеткой и размещение ее во входном окне кассеты придает кассете с заключенной в ней крыльчаткой статус самодостаточного метрологического блока, который после соответствующей поверки в корпусах различных типов одноструйных счетчиков может использоваться без дополнительной поверки в качестве сменного измерительного блока для счетчика соответствующего типа.

Решение задачи и дополнительные преимущества обеспечиваются как при обособленном выполнении жалюзийной решетки с последующей ее установкой в окно кассеты (на подготовленное посадочное место), так и в случае выполнения ее за одно целое с кассетой (с ее корпусом или крышкой).

При выполнении жалюзийной решетки за одно целое с кассетой решение задачи обеспечивается и тем, что щели, образованные между крайними пластинами ее и смежными с ними сторонами входного окна кассеты, имеют форму конфузоров, вершина угла схождения каждого из которых находится на одной геометрической линии с общей вершиной углов схождения других щелевых конфузоров жалюзийной решетки.

Решение задачи по второму варианту счетчиков (кассетных) обеспечивается, подобно первому варианту выполнения одноструйных счетчиков, тем, что:

- пластины жалюзийной решетки, расположенной во входном окне цельноизвлекаемой кассеты, установлены под разными углами атаки и своими профилями образуют пакет щелевых конфузоров, углы схождения которых имеют общую вершину, лежащую в пределах радиуса крыльчатки на геометрической линии, параллельной оси ее вращения;

- общая вершина углов схождения пакета щелевых конфузоров жалюзийной решетки, расположенной во входном окне цельноизвлекаемой кассеты, находится на расстоянии 0,8 - 0,9 радиуса крыльчатки от оси ее вращения;

- входное окно цельноизвлекаемой кассеты, в котором размещена жалюзийная решетка, и выпускной канал корпуса счетчика расположены по линии диаметра кассеты, при этом жалюзийная решетка выполнена экранирующей поперечное сечение входного окна в диаметральном направлении;

- степень перекрытия поперечного сечения входного окна кассеты пластинами жалюзийной решетки составляет в свету не менее 0,7 его площади.

Пояснения к приведенным путям решения задачи в кассетных счетчиках полностью соответствуют изложенным ранее пояснениям для варианта выполнения одноструйного счетчика бескассетным.

Изобретение поясняется графическими материалами, где представлены:

фиг. 1 - общий вид одноструйного счетчика количества текучей среды (вариант 1 - бескассетный);

фиг. 2 - эскиз выполнения жалюзийной решетки в бескассетном счетчике с соосными диаметральными впускным и выпускным каналами;

фиг. 3 - эскиз выполнения жалюзийной решетки в бескассетном счетчике с тангенциальными впускным и выпускным каналами, расположенными под углом между собой;

фиг. 4 - эскиз выполнения жалюзийной решетки в бескассетном счетчике с соосными тангенциальными впускным и выпускным каналами;

фиг. 5 - общий вид одноструйного счетчика количества текучей среды (вариант 2 - кассетный);

фиг. 6 - эскиз выполнения жалюзийной решетки в кассетном счетчике с соосными диаметральными впускным и выпускным каналами (верхняя крышка условно не показана);

фиг. 7 - эскиз выполнения жалюзийной решетки в кассетном счетчике с тангенциальными впускным и выпускным каналами, расположенными под углом между собой каналами (верхняя крышка условно не показана);

фиг. 8 - эскиз выполнения жалюзийной решетки в кассетном счетчике с тангенциальными впускным и выпускным каналами, ориентированными соосно каналами (верхняя крышка условно не показана);

фиг. 9 - один из возможных вариантов установки жалюзийной решетки, выполнен ной отдельно, во входное окно кассеты;

фиг. 10 - графики зависимостей относительных погрешностей от расхода для предлагаемого счетчика и для прототипа.

Предлагаемый одноструйный счетчик количества текучей среды (фиг. 1, 5) содержит корпус 1 с впускным 2, выпускным 3 каналами и внутренней камерой 4, в которой установлена с возможностью осевого вращения крыльчатки 5. По первому варианту - в бескассетном счетчике (фиг. 1 - 4) крыльчатка 5 установлена в камере 4 корпуса непосредственно - между ее днищем 4а и крышкой 4б, так что сама камера 4 выполняет функции вихревой камеры. По второму же варианту - в кассетном счетчике (фиг. 5 - 9) крыльчатка 5 в камеру корпуса 1 помещена уже заключенной предварительно в кассету 6 между ее днищем 6а и крышкой 6б, так что вихревой камерой счетчика является уже камера 6в цельноизвлекаемой кассеты 6, камера корпуса счетчика выполняет функции лишь посадочного гнезда кассеты 6 с заключенной в ней крыльчаткой. Крышка 4б камеры 4 корпуса, а также крышка 6б кассеты 6 имеют на своей внутренней стороне пару диаметральных ребер 4в и 6г соответственно, предназначенных для регулировки счетчика (путем поворота крышки) в процессе поверки. Сверху крышка 4б или кассета 6 зафиксирована прижимным кольцом 7, посаженным на резьбе в корпус 1. Кроме этого, счетчик содержит струенаправляющий аппарат, выполненный в виде жалюзийной решетки 8 и расположенный во входном окне корпуса 1 (бескассетный вариант) и, соответственно - во входном окне цельноизвлекаемой кассеты 6 (кассетный вариант счетчика), а также узел 9 съема и представления информации, установленный на крышке 4б вихревой камеры 4 корпуса и соответственно на крышке кассеты 6.

В зависимости от того, как в одноструйном счетчике ориентированы впускной и выпускной каналы по отношению к вихревой камере (соосно, диаметрально или тангенциально), жалюзийная решетка выполняется либо экранирующей входное окно по направлению осевой линии канала, либо проходной. В счетчиках количества с соосными диаметральными каналами (фиг. 2, 6) жалюзийная решетка выполнена экранирующей в этом (диаметральном) направлении, при сохранении своей основной функции - формирования тангенциального струйного течения контролируемой среды, обеспечивающего эффективное использование энергии входящего потока для создания момента вращения на лопастях крыльчатки 5. Таким экранированием сечения входного окна счетчика исключается не только возможность прохождения на лопасти крыльчатки струй потока, направленных встречно вращению крыльчатки, но и возможность диаметрального перетока контролируемой среды из входного окна в выходное, в обход крыльчатки, без совершения полезной работы по созданию момента вращения.

В счетчиках же количества с тангенциально ориентированными впускным и выпускным каналами (соосно или под углом между собой) жалюзийная решетка выполняется проходной (фиг. 3, 4, 7, 8) как в бескассетном варианте счетчика, так и в кассетном.

Но независимо от ориентации впускного и выпускного каналов, пластины жалюзийной решетки в одноструйных счетчиках любого оформления установлены под различными углами атаки, и своими профилями образуют пакет конфузоров, фокусирующих своими углами схождения части разделенного потока на общую линию, параллельную оси вращения крыльчатки и расположенную на расстоянии 0,8 - 0,9 радиуса от ее оси. Благодаря этому при расширении диапазона измерений в сторону малых расходов в отличие от прототипа, величина входного сопротивления одноструйного счетчика количества сохраняется в границах, установленных для таких требований, т.е. при изменении расхода контролируемой среды в широком (не нормированном) диапазоне. При этом жалюзийная решетка в зависимости от типоразмера счетчика может иметь от двух до пяти щелевых конфузоров в пакете. Она может быть выполнена как отдельно с последующей установкой ее во входное окно камеры 4 корпуса 1 (фиг. 2, 3, 4) или во входное окно кассеты (фиг. 9,кассетный вариант), так и за одно целое с корпусом счетчика, либо кассеты (фиг. 6, 7, 8). Она может быть выполнена (или закреплена) и на крышке кассеты и соответственно на крышке корпуса счетчика (не показано). Это становится возможным потому, что входное и выходное окна в корпусе и в кассете из конструктивных соображений выполняются разомкнутыми со стороны крышки и имеют прямоугольную форму. При этом появляется также возможность поворотом крышки изменять ориентацию пакета щелевых конфузоров и тем самым осуществлять регулировку счетчика.

Узел 9 съема и представления информации, используемый в предлагаемом счетчике, построен по принципу бесконтактной передачи информации через немагнитную герметичную стенку.

Этот узел может представлять собой как сумматор механического тепа, связываемый с помощью магнитной связи ведомой муфты с ведущей муфтой, вмонтированной в крыльчатку, так и электронный счетчик-сумматор импульсов с цифровым представлением информации на дисплее и съемом сигнала с крыльчатки без магнитной муфты.

Предлагаемый счетчик количества работает следующим образом.

Поступающий во впускной канал 2 (фиг. 1, 5) поток контролируемой среды, попадая на пластины экранирующей жалюзийной решетки 8, разделяется на несколько плоских тангенциальных струй, и пакетом образованных ее пластинами конфузоров фокусируется на лопастях крыльчатки 5, на расстоянии 0,8 - 0,9 радиуса ее, по линии, параллельной оси вращения крыльчатки. Суммарный максимальный момент вращения, создаваемый на лопастях крыльчатки за счет такой фокусировки, сообщает крыльчатке вращение, которое через немагнитную крышку 4б или 6б передается на узел 9 съема и представления информации, где число оборотов крыльчатки преобразуется в количество прошедшей через счетчик текучей среды.

При тангенциальной ориентации впускного канала 2 жалюзийная решетка 8 (проходная) лишь разделяет входящий поток на плоские струи и фокусирует последние на заданном расстоянии от оси вращения крыльчатки 5 (фиг. 3, 4, 7, 8).

Опытная партия одноструйных кассетных счетчиков в количестве 10 шт., изготовленных согласно приведенному выше описанию, с условным диаметром впускного канала 20 мм, и подвергнутых испытаниям на поверочном метрологическом стенде, дала согласующиеся результаты. Счетчики имели экранирующую жалюзийную решетку с тремя щелевыми конфузорами, расположенную во входном окне кассеты. Результаты сравнительных испытаний предлагаемого счетчика и прототипа приведены в таблице, а графики кривых относительных погрешностей - на фиг. 10.

Как видно из сравнения кривых погрешностей (фиг. 10) во всем диапазоне расходов для предлагаемого счетчика и прототипа диапазон измерения предлагаемого счетчика увеличен более чем в 2 раза и счетчик в соответствии с требованиями ГОСТ Р 50193 и международного стандарта ISO 4064 переходит в качественно новый разряд - класс C.

Необходимо также отметить, что при этом увеличивается также точность измерения (как видно из графиков существенно уменьшено абсолютное значение относительной погрешности).

Кассетный же вариант одноструйного счетчика, обеспечивающий дополнительно упрощение обслуживания счетчиков за счет метрологической самодостаточности кассеты и возможности смены кассет без дополнительной полномасштабной поверки счетчика, дает предлагаемому счетчику дополнтельные преимущества.

Источники информации

1. Киясбейли А.Ш., Лифшиц Л.М. Первичные преобразователи систем измерения расхода и количества жидкостей. M.: Энергия, 1980, с. 14, рис. 12, с. 41, рис. 32, 33.

2. Патент ФРГ N 2647297, кл. G 01 F 1/06, 1976.

3. Патент DE N 4028780, кл. G 01 F 1/06, 1/08, 1990 (прототип).

4. Заявка России N 95114352/28, кл. G 01 F 1/08, 1995, БИ N 23, 1997 (прототип).