измеритель расхода газа "струя"

Формула изобретения

Измеритель расхода газа, включающий входную цилиндрическую часть с внутренним радиусом R, равным внутреннему радиусу соединенного с ним трубопровода, и с перфорацией в виде продольных щелевых двухступенчатых пазов, сопло с внутренним радиусом R на входе и внутренним радиусом r на выходе, цилиндрический патрубок с перфорацией в виде продольных щелевых двухступенчатых пазов и коническую насадку, соединенные последовательно относительно продольной оси х, а также кольцевые камеры с датчиками для замера высокого и низкого давлений, размещенные коаксиально входной цилиндрической части и цилиндрическому патрубку и сообщающиеся с их внутренними полостями посредством перфорации, отличающийся тем, что сопло выполнено двухступенчатым, разделенным точкой перегиба на криволинейной образующей поверхности сопла на выпуклую часть криволинейной образующей, определяющую профиль первой ступени сопла, и вогнутую часть криволинейной образующей, определяющую профиль второй ступени сопла, при этом уменьшение внутреннего радиуса сопла R по оси у в плоскости, нормальной к оси х, от входного отверстия до точки перегиба (0xх_i) выражено функциональной зависимостью

y(x) = y(x_o)+a_y(x_i/)((x_i/)sin(x/x_i)-x),

а от точки перегиба до выходного отверстия (xi<хх_i) - функциональной зависимостью



х_i - значение абсциссы, при которой образующая сопла у(х) имеет точку перегиба,

х₁ - длина L сопла,

у(x₀) - радиус R входного сечения сопла,

у(x₁) - радиус r выходного сечения сопла.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерения объема или массы газов путем пропускания их через измерительные устройства непрерывным потоком, а более конкретно - к измерению расхода газа, транспортируемого по газопроводам различного назначения, включая магистральные.

Известна конструкция измерителя расхода газа, включающая мерную диафрагму, корпус для ее установки и подсоединения к трубопроводу, а также установки датчиков измерения давления до и после диафрагмы [1].

Недостатком данной конструкции является то, что за диафрагмой площадь поперечного сечения струи потока сначала уменьшается, поэтому измеренный перепад давления относится именно к этой площади, а не к площади отверстия диафрагмы. Это требует введения поправки к измеренному таким образом потоку - так называемого "коэффициента расхода", и чтобы его стабилизировать, выполняют входную кромку диафрагмы как можно более острой. Однако со временем, а также при наличии в потоке газа твердых частиц эта кромка притупляется, что резко снижает точность замера за счет срыва потока и усиления турбулентных явлений. Турбулентные явления могут быть также усилены наличием колен или иных препятствий в трубопроводе до и после диафрагмы. Вследствие этого для измерителя расхода газа, содержащего мерную диафрагму, при установке на трубопровод необходимо наличие прямолинейных участков длиной 50-100 диаметров трубопровода до и после мерной диафрагмы. Ввиду низкой эрозионной стойкости происходит сравнительно быстрый износ диафрагм, что требует их частой замены и, как следствие, высоких эксплуатационных расходов.

Известна конструкция измерителя расхода газа, выполненная в виде трубки Вентури, включающая последовательно и соосно расположенные цилиндрическую часть, сопло, цилиндрический патрубок, коническую насадку, а также датчики давления, установленные на цилиндрической насадке перед соплом и на цилиндрическом патрубке после сопла [2].

Недостатком известной конструкции измерителя расхода газа является то, что датчик, установленный перед соплом, измеряет давление проходящего через трубопровод макротурбулентного (то есть такого, размеры вихря в котором сравнимы с диаметром трубопровода) потока, и, чтобы сделать конструкцию приемлемой для замера, линейная длина трубопровода перед датчиком должна быть не менее 24 диаметров трубопровода. Второй датчик давления, установленный на цилиндрическом патрубке, находится в зоне кольцевого "прилипшего" слоя, который неизбежно возникает при прохождении потока вблизи неподвижной поверхности и который искажает формы и размеры сечения измерительного участка, что снижает точность измерения. Измерения разности давлений в разных частях макротурбулентных потоков дает величину, не являющуюся среднестатистическим перепадом давления, поскольку в макротурбулентном потоке в объемах, сравнимых с диаметром вихря (то есть в тех размерах, в которых турбулентный поток носит характер случайного нестационарного процесса на интервале наблюдения), не существует статистически достоверных средних величин. Такое измерение порождает случайный нестационарный характер измеренного перепада давления, что в свою очередь порождает недостоверную оценку величины расхода.

Наиболее близким аналогом изобретения является измеритель расхода газа, включающий соосно и последовательно соединенные цилиндрическую часть с перфорацией в виде продольных щелевых двухступенчатых пазов и с внутренним радиусом R, равным внутреннему радиусу соединенного с ним трубопровода, сужающееся сопло с криволинейной образующей поверхности относительно общей продольной оси х с внутренним радиусом R на входе и внутренним радиусом r на выходе, цилиндрический патрубок с перфорацией в виде продольных щелевых двухступенчатых пазов, коническую насадку, кольцевые камеры с датчиками для замера высокого и низкого давлений, размещенные коаксиально с охватом перфорированных кольцевых участков относительно цилиндрической части и цилиндрического патрубка, сообщающиеся посредством продольных щелевых двухступенчатых пазов с их внутренними полостями [3].

Недостатком этой конструкции является то, что подготовка потока при поступлении его в полость цилиндрического патрубка на участок для замера низкого давления происходит в одноступенчатом сужающемся сопле и степень подавления турбулентных возмущений потока определяется линейным размером сопла, так как осуществляется путем постепенно нарастающего сжатия микроструй потока. Кроме того, одноступенчатые сопла не оптимальны относительно главной цели применения сопла в задачах расходометрии, а именно такие сопла не обеспечивают строгую параллельность микроструй потока продольной оси измерителя, что влечет за собой появление в потоке паразитных вихревых возмущений, ухудшающих точность измерения.

Техническим результатом от использования является устранение указанных выше недостатков, снижение веса и стоимости при повышении точности измерений.

Это достигается тем, что измеритель расхода газа, включающий входную цилиндрическую часть с внутренним радиусом R, равным внутреннему радиусу соединенного с ним трубопровода, и с перфорацией в виде продольных щелевых двухступенчатых пазов, сопло с внутренним радиусом R на входе и внутренним радиусом r на выходе, цилиндрический патрубок с перфорацией в виде продольных щелевых двухступенчатых пазов и коническую насадку, соединенные последовательно относительно продольной оси х, а также кольцевые камеры с датчиками для замера высокого и низкого давления, размещенные коаксиально входной цилиндрической части и цилиндрическому патрубку и сообщающиеся с их внутренними полостями посредством перфорации, отличается тем, что сопло выполнено двухступенчатым, разделенным точкой перегиба на криволинейной образующей поверхности сопла на выпуклую часть криволинейной образующей, определяющую профиль первой ступени сопла, и вогнутую часть криволинейной образующей, определяющую профиль второй ступени сопла, при этом уменьшение внутреннего радиуса R сопла по оси у в плоскости, нормальной к оси х, от входного отверстия до точки перегиба (0 х x_i) выражено функциональной зависимостью

Y(x) = y(x_o)+a_y(x_i/)((x_i/)sin(x/x_i)-x),

а от точки перегиба до выходного отверстия (x_iхх₁) функциональной зависимостью



где

х_i - значение абсциссы, при которой образующая сопла у(х) имеет точку перегиба,

х₁ - длина L сопла,

у(x₀) - радиус R входного сечения сопла,

у(x₁) - радиус r выходного сечения сопла.

На фиг. 1 показан в разрезе подсоединенный к трубопроводу 1 измеритель расхода газа. На фиг.2 показана в системе координат ХУ криволинейная образующая внутренней поверхности сопла.

Измеритель расхода газа установлен в магистральном трубопроводе и содержит входную цилиндрическую часть 2 со струе-выпрямителем 3 на входе, кольцевую камеру 4 с датчиком для замера высокого давления 5, перфорацию в виде продольных двухступенчатых щелевых пазов 6, двухступенчатое сопло 7, разделенное точкой перегиба на криволинейной образующей поверхности сопла на выпуклую часть криволинейной образующей, определяющую профиль поверхности первой ступени 8 сопла, и вогнутую часть криволинейной образующей, определяющую профиль второй ступени 9 сопла, цилиндрический патрубок 10 с двухступенчатой внутренней полостью, с перфорацией в виде продольных щелевых пазов 11, сообщающейся с кольцевой камерой 12, снабженной датчиком для замера низкого давления 13, коническую насадку 14, а также штуцера для промывки 15, 16.

Измеритель расхода газа "Струя" работает следующим образом.

Исходный турбулентный поток из магистрального трубопровода 1 перед входной цилиндрической частью 2 разбивается струевыпрямителем 3 на множество мелких вихревых струй (микроструй), турбулентность которых уже ослаблена за счет расщепления общего вихря потока и трения на границах микроструй, вызывающих потерю энергии турбулентности. Во входную цилиндрическую часть 2 поступает поток с резко пониженной турбулентностью, и через перфорацию 6, выполненную в виде продольных двухступенчатых пазов, камеру 4, в которой установлен датчик для замера высокого давления 5, поступает достоверное значение высокой компоненты давления. Далее поток поступает в двухступенчатое сопло 7, разделенное точкой перегиба на его криволинейной образующей на первую ступень 8 с выпуклой частью криволинейной образующей сопла, где происходит дальнейшее снижение турбулентности путем плавного сжимания микроструй потока, и вторую ступень 9 с вогнутой частью криволинейной образующей сопла, где происходит форсированное сжатие потока, обеспечивающее повышение потерь энергии макротурбулентности в общем потоке и повышение числа Рейнольдса Re в сжимающихся микроструях, и формирование потока строго параллельно продольной оси расходомера при поступлении его во внутреннюю полость цилиндрического патрубка 10, выполненную с перфорацией 11, через которую в коаксиально размещенную относительно цилиндрического патрубка кольцевую камеру 12 с датчиком для замера низкого давления 13 поступает достоверное низкое давление, после чего поток поступает в коническую насадку 14. Форма криволинейной поверхности сопла выбрана на основе экспериментально-расчетных исследований, проведенных на аэродинамических трубах.

Предлагаемый измеритель расхода газа позволяет на 15-20% снизить погрешности измерений, в 2-3 раза расширить диапазон измерений по величине расхода и снизить вес приблизительно на 10% по сравнению с прототипом.

Источники информации

1. Измеритель расхода газа фирмы ISA Control LTD, информационный листок FSD/4, выпуск 1, 1994 г.

2. Измеритель расхода газа фирмы ISA Control, информационный листок FSD/9, выпуск 2, 1994 г.

3. Измеритель расхода газа "Струя". Решение по заявке 2001111072 от 26.02.2002 с приоритетом от 22.05.2000 г.