струйный автогенератор и колебательный расходомер на его основе

Формула изобретения

1. Струйный автогенератор, содержащий симметричный относительно продольной плоскости симметрии корпус с крышкой, в котором выполнены прямолинейный входной участок, расположенные на одной оси в продольной плоскости симметрии сопло питания со срезом, имеющее входной конфузор, управляющая камера в виде трехступенчатого диффузора, образованная внутренними стенками двух направляющих, отклоняющимися наружу от среза сопла, и выходной канал, а также два разделителя, расположенные симметрично от выходного канала, выполненные в виде выступов на внутренних стенках корпуса с обеих сторон от выходного канала симметрично относительно продольной плоскости симметрии корпуса и имеющие плоские наружные стенки, обращенные к входному каналу и образующие с противолежащими внутренними стенками направляющих входное сопло и диффузор первого и второго входных каналов управляющей камеры, служащих для соединения с линиями обратной связи, и выполненные симметрично в начальной части внутренних стенок направляющих первое и второе сопла управления, каждое из которых имеет конфузор, образованный криволинейными поверхностями, при этом внутренние полости прямолинейного входного участка, сопла питания, сопел управления, входных и выходного каналов, диффузоров, конфузоров и управляющей камеры имеют прямоугольные поперечные сечения, отличающийся тем, что указанные поперечные сечения имеют одинаковую высоту, выбранную в диапазоне от 3,0 до 20,0 размеров ширины сопла питания, длина сопла питания выбрана в диапазоне от 1,0 до 5,0 размеров ширины сопла питания, ширина входного участка и ширина выходного канала выбраны в диапазоне от 2,0 до 10,0 размеров ширины сопла питания, угол раскрытия первой ступени диффузора управляющей камеры выбран в диапазоне от 26 до 60°, угол раскрытия третьей ступени диффузора управляющей камеры выбран в диапазоне от 12 до 57°, угол наклона плоскости симметрии сопла управления к продольной плоскости симметрии корпуса выбран в диапазоне от 95 до 150°, плоские внутренние стенки разделителей образуют между собой выходное сопло и выходной двухступенчатый диффузор выходного канала, ширина выходного сопла выбрана в диапазоне от 3,0 до 5,0 размеров ширины сопла питания, расстояние d между вершинами углов раскрытия первой и третьей ступени диффузора управляющей камеры выбрано в диапазоне от 5,0 до 10,0 размеров ширины сопла питания, расстояние е от линии пересечения плоскости симметрии сопла управления с продольной плоскостью симметрии корпуса до среза сопла питания выбрано в диапазоне от 1,0 до 3,0 размеров ширины сопла питания, радиус сопряжения среза каждого сопла управления с поверхностью внутренней стенки направляющей не превышает 0,8 размеров ширины сопла управления, расстояние f от среза сопла питания до разделителей выбрано в диапазоне от 10 до 20 размеров ширины сопла питания, ширина каждого сопла управления выбрана в диапазоне от 0,5 до 1,5 ширины сопла питания, а в корпусе или в крышке выполнены два сквозных отверстия, расположены симметрично относительно продольной плоскости симметрии корпуса на выходах диффузоров входных каналов, по одному с каждой стороны управляющей камеры, приспособленные для гидравлического сообщения управляющей камеры со средством восприятия колебательных импульсов текучей среды.

2. Струйный автогенератор по п.1, отличающийся тем, что ширина прямолинейного входного участка и ширина выходного канала составляют предпочтительно 5,0 размеров ширины сопла питания.

3. Струйный автогенератор по п.1, отличающийся тем, что ширина сопла управления составляет предпочтительно 0,8 ширины сопла питания.

4. Струйный автогенератор по п.1, отличающийся тем, что угол раскрытия первой ступени диффузора управляющей камеры предпочтительно составляет 40°.

5. Струйный автогенератор по п.1, отличающийся тем, что угол раскрытия третьей ступени диффузора управляющей камеры предпочтительно составляет 24°.

6. Струйный автогенератор по п.1, отличающийся тем, что ширина выходного сопла предпочтительно составляет 3,5 размеров ширины сопла питания.

7. Струйный автогенератор по п.1, отличающийся тем, что расстояние d между вершинами углов раскрытия первой и третьей ступени диффузора управляющей камеры предпочтительно составляет 5,75 размеров ширины сопла питания.

8. Струйный автогенератор по п.1, отличающийся тем, что расстояние е от линии пересечения плоскости симметрии сопла управления с продольной плоскостью симметрии корпуса до среза сопла питания предпочтительно составляет 1,8 размеров ширины сопла питания.

9. Струйный автогенератор по п.1, отличающийся тем, что угол наклона плоскости симметрии сопла управления к продольной плоскости симметрии корпуса предпочтительно составляет 105°.

10. Струйный автогенератор по п.1, отличающийся тем, что расстояние f от среза сопла питания до разделителей предпочтительно составляет 13,25 размеров ширины сопла питания.

11. Струйный автогенератор по п.1, отличающийся тем, что длина сопла питания предпочтительно составляет 2,0 размеров ширины сопла питания.

12. Струйный автогенератор по п.1, отличающийся тем, что в нем линии обратной связи выполнены в двух съемных фланцах, установленных по одному на боковых сторонах корпуса.

13. Колебательный расходомер, содержащий струйный автогенератор, гидравлически сообщенный со средством восприятия колебательных импульсов текучей среды, подключенным к средству преобразования колебательных импульсов в цифровые значения выходного сигнала расходомера, отличающийся тем, что содержит множество струйных автогенераторов, каждый из которых выполнен в виде струйного автогенератора по любому из пп.1-13, установленных параллельно и гидравлически объединенных прямолинейными входными участками и гидравлически объединенных выходными каналами, управляющие камеры которых гидравлически связаны между собой линиями обратной связи, образованными гидравлическим соединением выхода первого входного канала первого из автогенераторов со входом первого сопла управления следующего за ним автогенератора, выхода второго входного канала первого из автогенераторов со входом второго сопла управления следующего за ним автогенератора.

14. Колебательный расходомер по п.13, отличающийся тем, что содержит четное количество струйных автогенераторов, при этом выход первого входного канала последнего из автогенераторов соединен со входом второго сопла управления первого из автогенераторов, а выход второго входного канала последнего из автогенераторов соединен со входом первого сопла управления первого из автогенераторов.

15. Колебательный расходомер по п.13, отличающийся тем, что содержит нечетное количество струйных автогенераторов, при этом выход первого входного канала последнего из автогенераторов соединен со входом первого сопла управления первого из автогенераторов, а выход второго входного канала последнего из автогенераторов соединен со входом второго сопла управления первого из автогенераторов.

16. Колебательный расходомер по любому из пп.13-15, отличающийся тем, что гидравлическое объединение прямолинейных входных участков всех автогенераторов и гидравлическое объединение выходных каналов всех струйных автогенераторов выполнено путем установки на соответствующие торцы корпусов автогенераторов торцевых накладок, каждая из которых имеет внутреннюю полость, при этом внутренняя полость одной торцевой накладки сообщена с магистралью текучей среды и с прямолинейными входными участками всех имеющихся в расходомере струйных автогенераторов, а внутренняя полость другой торцевой накладки сообщена с магистралью текучей среды и с выходными каналами всех имеющихся в расходомере струйных автогенераторов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к приборостроению, а более конкретно к колебательным расходомерам для измерения массового и объемного расхода жидкости и газа и струйным генераторам для генерирования колебаний в измеряемом потоке жидкости или газа, вызывающих генерирование выходного сигнала расходомера, и может быть использовано в энергетике, химической, нефтехимической и других отраслях промышленности.

С точки зрения надежности и безопасности эксплуатации весьма перспективны расходомеры, принцип действия которых основан на различных гидродинамических эффектах. Такие расходомеры обладают высокой надежностью и безопасностью, в основном обусловленной отсутствием движущихся частей и электрического потенциала, высокой точностью, низкой потерей давления контролируемой среды, широким диапазоном измерения. Особенно актуально применение подобных устройств при контроле агрессивных, пожаро- и взрывоопасных сред, а также жидкостей, содержащих абразивные включения.

Известны расходомеры текучей среды, содержащие генераторы колебательного движения этой текучей среды, генерирующие частотный дискретный выходной сигнал, соответствующий расходу, который легко может быть преобразован в цифровой сигнал, что особенно предпочтительно в том случае, когда считывание показаний расходомера производится дистанционно.

Важным для расходомера является возможность получения выходного сигнала, линейно соответствующего измеряемому количеству текучей среды.

Известны струйные расходомеры, в которых использован эффект примыкания струи жидкости к твердой стенке - эффект Коанда. При движении потока вязкой жидкости по твердой поверхности из-за неравномерности подвода жидкости к потоку возникает поперечный перепад давления, который вызывает присоединение потока к стенке с образованием циркуляционной зоны. Эта тенденция сохраняется и в том случае, когда твердая поверхность постепенно отклоняется от оси струи, и поток отклоняется в ту же сторону, примыкая к стенке. Подвод дополнительной жидкости в циркуляционную зону потока приводит к смещению установившегося равновесия, и поток отрывается от одной стенки и присоединяется к другой стенке, ей противолежащей. Таким образом, возбуждается колебание струи потока попеременно между стенками, и частота таких колебаний пропорциональна объемному расходу.

Одним из способов организации подвода дополнительной порции жидкости является отбор части примыкающей струи в канал обратной связи с последующим возвратом ее в поток в циркуляционной зоне, что вызывает переключение потока от одной стенки к другой без организации дополнительного электрического, магнитного или другого воздействия на поток, то есть к автоколебаниям.

Как известно специалистам, работающим в области гидравлики, этот эффект проявляется аналогичным образом и в газовых средах.

Колебания струи могут фиксироваться чувствительными элементами, воспринимающими изменения параметров потока и установленными в потоке или размещенными автономно. Для повышения точности измерения используют различные способы усиления колебательного сигнала, например создание искусственных препятствий на пути движения потока, например, путем размещения в потоке по его оси тел, вызывающих его торможение, и фиксируют изменение результирующих усилий струи на чувствительные элементы, установленные в этом теле.

Как известно специалистам, работающим в этой области, гидродинамика течения жидкости в струйном элементе характеризуется сложным взаимодействием основного потока с пограничными слоями, которые развиваются на торцовых и боковых стенках камеры, и представляет собой трехмерное течение смешанной струи в ограниченном пространстве с переменными во времени условиями. Поэтому рабочие характеристики струйного генератора во многом определяются конструкцией проточной части генератора и линий обратной связи, и организацией течения основного и дополнительного потоков.

Известен струйный колебательный расходомер, содержащий струйный генератор, включающий в себя входное сопло для подачи измеряемого потока в генератор, выходной канал для вывода измеренного потока, ограничивающие стенки, присоединенные к входному соплу и выходному каналу, формирующие осесимметричную зону взаимодействия, и другие стенки, параллельные указанным стенкам, расположенные симметрично по обе стороны от оси симметрии зоны взаимодействия и образующие с ограничивающими стенками каналы обратной связи, каждый из которых имеет выход у входного сопла и формирует сопло управления и вход, расположенный ниже по течению потока, разделитель, расположенный по оси симметрии выходной зоны и выдвинутый в сторону зоны взаимодействия и имеющий нос с плохообтекаемыми кромками, и при этом входы в каналы обратной связи выполнены под углом менее 90° к ограничивающим стенкам и конструктивные параметры выполнения указанных элементов соотносятся с шириной входного сопла и шириной носа разделителя (US, 4,838,091, А1). Выходной сигнал расходомера соответствует сигналам чувствительных элементов, установленных на каждой стороне центрального тела на участках, лежащих по течению ниже входов в каналы обратной связи, в выходном канале, где поток сначала расширяется в диффузорных участках и затем сжимается в конфузорных участках перед выходом в магистраль. Сигналы чувствительных элементов, например, мембранных датчиков на изменение давления, могут быть использованы, например, для формирования выходных электрических сигналов расходомера. Частота следования пульсации значений давления при этом соответствует частоте следования сигнала и соответствует объемному расходу.

Однако в описанном расходомере расположение разделителя по оси симметрии между выходными каналами и исполнение выходных каналов с последовательной комбинацией диффузора и конфузора приводит к увеличению потерь энергии при прохождении потока через расходомер.

Выполнение сопла управления смежным к соплу питания приводит к неэффективному использованию энергии управляющей струи, снижению частоты колебаний и росту погрешности измерений.

Наиболее близким к заявляемому является колебательный расходомер, вырабатывающий выходной сигнал, частота которого является линейной функцией расхода, и расходомер содержит корпус, имеющий управляющую камеру, сопло питания для подачи струи измеряемого потока в камеру, имеющее внутреннюю полость прямоугольного поперечного сечения, выходной канал, соосный с соплом питания, для вывода потока из камеры, две направляющие, расположенные в камере симметрично по обеим сторонам от сопла питания с образованием между ними интерактивной зоны и имеющие внутренние стенки, отклоняющиеся наружу от сопла питания, и внешние стенки, отстоящие от противоположных стенок камеры с образованием каналов обратной связи, каждый из которых имеет вход в направляющей в конечной части потока и выход в начальной части потока, образующий управляющее сопло, смежное с соплом питания, два разделителя, расположенные в камере с каждой из сторон выходного канала, каждый разделитель служит для разделения струи, поступающей из сопла питания и самостоятельно примыкающей к внутренней стенке соответствующей направляющей, на управляющую струю, которая отклоняется в направлении входа в канал обратной связи, и на выходную струю, которая направляется к выходному каналу, управляющая струя движется по каналу обратной связи и подается из соответствующего управляющего сопла в интерактивную зону для отклонения входящей струи в направлении внутренней стенки другой направляющей, где такие же гидравлические действия повторяются, тем самым поток переключается поочередно от направляющей к направляющей (US, 4,550,614, A1), в котором управляющая камера выполнена круглой и направляющие выполнены сегментовидными, внутренняя стенка каждой направляющей выполнена плоской, а внешняя стенка имеет образующую, которая параллельна образующей соответствующей противолежащей стенке камеры, каждый разделитель содержит вогнутую стенку, которая отклоняет струю потока в направлении входа в канал обратной связи, а средства восприятия образованы чувствительными элементами, установленными вдоль вогнутой стенки. При этом разделители выполнены консольными относительно стенки корпуса и могут быть установлены неподвижно с помощью механического крепления к корпусу или могут быть соединены между собой и установлены подвижно на торсионном валу. В качестве чувствительных элементов могут быть использованы различные типы датчиков известной конструкции.

Однако в описанном выше расходомере конструктивное выполнение сопла питания, управляющей камеры, разделителей, выходного канала имеет ряд существенных недостатков, приводящих к значительной потере давления потока, созданию неравномерности течения потока внутри расходомера, созданию зон значительной турбулентности при введении в поток управляющей струи, что приводит к значительным потерям давления в потоке и влияет на диапазон измерения.

Размещение сопла управления смежным с соплом питания, как отмечалось ранее, приводит к неэффективному использованию энергии управляющей струи, снижению частоты колебаний и росту погрешности измерений. Кроме того, использование чувствительных элементов, контактирующих с неравномерным потоком, воспринимающих не только направленные усилия струи, но и вихревые шумы потока, приводит к быстрому снижению чувствительности элементов и, соответственно, к снижению точности измерения.

При создании настоящего изобретения была поставлена задача разработки расходомера, обеспечивающего повышение надежности и точности измерения объемного и массового расхода жидкости или газа и расширение диапазона измерений за счет применения в нем струйного автогенератора, в котором организация условий струйного течения измеряемой среды была бы оптимальной, были бы исключены конструктивные элементы, вызывающие поперечные возмущения в потоке, за счет применения полнопоточной схемы подключения струйного автогенератора, обеспечения устойчивого примыкания струи к стенке, повышения эффективности воздействия управляющей струи на поток, повышения частоты колебаний струи, повышения стабильности характеристик струи и минимизации потерь давления потока, а также за счет размещения устройств восприятия колебательного частотного сигнала вне расходомера.

Поставленная задача была решена созданием струйного автогенератора, содержащего симметричный относительно продольной плоскости симметрии корпус с крышкой, в котором выполнены прямолинейный входной участок, расположенные на одной оси в продольной плоскости симметрии сопло питания со срезом, имеющее входной конфузор, управляющую камеру в виде трехступенчатого диффузора, образованную внутренними стенками двух направляющих, отклоняющимися наружу от среза сопла, и выходной канал, а также два разделителя, расположенные симметрично от выходного канала, выполненные в виде выступов на внутренних стенках корпуса с обеих сторон от выходного канала симметрично относительно продольной плоскости симметрии корпуса и имеющие плоские наружные стенки, обращенные к входному каналу и образующие с противолежащими внутренними стенками направляющих входное сопло и диффузор первого и второго входных каналов управляющей камеры, служащих для соединениями с линиями обратной связи, и выполненные симметрично в начальной части внутренних стенок направляющих первое и второе сопла управления, каждое из которых имеет конфузор, образованный криволинейными поверхностями, при этом внутренние полости прямолинейного входного участка, сопла питания, сопел управления, входных и выходного каналов, диффузоров, конфузоров и управляющей камеры имеют прямоугольные поперечные сечения, отличающийся тем, что указанные поперечные сечения имеют одинаковую высоту, выбранную в диапазоне от 3,0 до 20,0 размеров ширины сопла питания, длина сопла питания выбрана в диапазоне от 1,0 до 5,0 размеров ширины сопла питания, ширина которого и ширина выходного канала выбраны в диапазоне от 2,0 до 10,0 размеров ширины сопла питания, угол раскрытия первой ступени диффузора управляющей камеры выбран в диапазоне от 26° до 60°, угол раскрытия третьей ступени диффузора управляющей камеры выбран в диапазоне от 12° до 57°, угол наклона плоскости симметрии сопла управления к продольной плоскости симметрии корпуса выбран в диапазоне от 95° до 150°, плоские внутренние стенки разделителей образуют между собой выходное сопло и выходной двухступенчатый диффузор выходного канала, ширина выходного сопла выбрана в диапазоне от 3,0 до 5,0 размеров ширины сопла питания, расстояние d между вершинами углов раскрытия первой и третьей ступени диффузора управляющей камеры выбрано в диапазоне от 5,0 до 10,0 размеров ширины сопла питания, расстояние е от линии пересечения плоскости симметрии сопла управления с продольной плоскостью симметрии корпуса до среза сопла питания выбрано в диапазоне от 1,0 до 3,0 размеров ширины сопла питания, радиус сопряжения среза каждого сопла управления с поверхностью внутренней стенки направляющей не превышает 0,8 размеров ширины сопла управления, расстояние f от среза сопла питания до разделителей выбрано в диапазоне от 10,0 до 20,0 размеров ширины сопла питания, ширина каждого сопла управления выбрана в диапазоне от 0,5 до 1,5 ширины сопла питания, а в корпусе или в крышке выполнены два сквозных отверстия, расположены симметрично относительно продольной плоскости симметрии корпуса на выходах диффузоров входных каналов, по одному с каждой стороны управляющей камеры, приспособленные для гидравлического сообщения управляющей камеры со средством восприятия колебательных импульсов текучей среды.

При этом, согласно изобретению, целесообразно, чтобы ширина прямолинейного входного участка и ширина выходного канала составляли, предпочтительно, 5,0 размеров ширины сопла питания.

Кроме того, согласно изобретению, разумно, чтобы ширина сопла управления составляла, предпочтительно, 0,8 ширины сопла питания.

Кроме того, согласно изобретению, желательно, чтобы угол раскрытия первой ступени диффузора управляющей камеры предпочтительно составлял 40°.

При этом, согласно изобретению, желательно, чтобы угол раскрытия третьей ступени диффузора управляющей камеры предпочтительно составлял 24°.

Кроме того, согласно изобретению, целесообразно, чтобы ширина выходного сопла, предпочтительно составляла 3,5 размеров ширины сопла питания.

При этом, согласно изобретению, целесообразно, чтобы расстояние d между вершинами углов раскрытия первой и третьей ступени диффузора управляющей камеры, предпочтительно, составляет 5,75 размеров ширины сопла питания.

Кроме того, согласно изобретению, желательно, чтобы расстояние е от линии пересечения плоскости симметрии сопла управления с продольной плоскостью симметрии корпуса до среза сопла питания предпочтительно составляло 1,8 размеров ширины сопла питания.

Кроме того, согласно изобретению, желательно, чтобы угол наклона плоскости симметрии сопла управления к продольной плоскости симметрии корпуса, предпочтительно, составлял 105°.

Кроме того, согласно изобретению, желательно, чтобы расстояние f от среза сопла питания до разделителей предпочтительно составляло 13,25 размеров ширины сопла питания.

При этом, согласно изобретению, разумно, чтобы длина сопла питания предпочтительно составляла 2,0 размеров ширины сопла питания.

При этом, согласно изобретению, целесообразно, чтобы в струйном автогенераторе линии обратной связи были выполнены в двух съемных фланцах, установленных по одному на боковых сторонах корпуса.

Поставленная задача была также решена созданием колебательного расходомера, содержащего струйный автогенератор, гидравлически сообщенный со средством восприятия колебательных импульсов текучей среды, подключенным к средству преобразования колебательных импульсов в цифровые значения выходного сигнала расходомера, отличающегося тем, что содержит множество струйных автогенераторов, каждый из которых выполнен в виде струйного автогенератора по любому из п.п.1-13, установленных параллельно и гидравлически объединенных прямолинейными входными участками и гидравлически объединенных выходными каналами, управляющие камеры которых гидравлически связаны между собой линиями обратной связи, образованными гидравлическим соединением выхода первого входного канала первого из автогенераторов со входом первого сопла управления следующего за ним автогенератора.

При этом, согласно изобретению, целесообразно, чтобы колебательный расходомер содержал четное количество струйных автогенераторов, при этом выход первого входного канала последнего из автогенераторов был соединен со входом второго сопла управления первого из автогенераторов, а выход второго входного канала последнего из автогенераторов был соединен со входом первого сопла управления первого из автогенераторов.

Кроме того, согласно изобретению, колебательный расходомер может содержать нечетное количество струйных автогенераторов, при этом выход первого входного канала последнего из автогенераторов был соединен со входом первого сопла управления первого из автогенераторов, а выход второго входного канала последнего из автогенераторов был соединен со входом второго сопла управления первого из автогенераторов.

При этом, согласно изобретению, целесообразно, чтобы гидравлическое объединение прямолинейных входных участков всех автогенераторов и гидравлическое объединение выходных каналов всех струйных автогенераторов было выполнено путем установки на соответствующие торцы корпусов автогенераторов торцевых накладок, каждая из которых имеет внутреннюю полость, при этом внутренняя полость одной торцевой накладки была сообщена с магистралью текучей среды и с прямолинейными входными участками всех имеющихся в расходомере струйных автогенераторов, а внутренняя полость другой торцевой накладки была сообщена с магистралью текучей среды и с выходными каналами всех имеющихся в расходомере струйных автогенераторов.

При выполнении струйного автогенератора с управляющей камерой описанной конфигурации обеспечивает наиболее устойчивое течение потока вдоль внутренней стенки и наиболее надежное примыкание струи к стенке.

Использованная в струйном автогенераторе, согласно изобретению, организация введения управляющей струи в основной поток обеспечивает снижение генерации помех в потоке, выравнивание фронта нарастания давления поперек потока, увеличивает надежность отрыва потока от одной стенки и присоединения его к противолежащей стенке и приводит к уменьшению объема управляющего потока, необходимого для воздействия на основной поток.

Кроме того, в струйном автогенераторе согласно изобретению обеспечивается разделение потока в управляющей камере на выходной поток и управляющую струю в зоне наиболее устойчивого присоединения струи потока к внутренней стенке направляющей, что дает возможность уменьшения объема управляющей струи, минимизирует влияние процесса разделения потока на надежность присоединения потока к стенке и повышает точность измерения.

Выполнение входного участка струйного автогенератора в виде комбинации прямолинейного входного участка, конфузора и сопла питания и выходного участка в виде диффузора и прямолинейного выходного канала с вышеуказанными соотношениями размеров способствует снижению потерь давления в потоке на входе и выходе из автогенератора.

Таким образом, в струйном автогенераторе, согласно изобретению, организовано наиболее оптимально течение измеряемого потока, разделение потока на управляющую струю и выходной поток, введение управляющей струи в вихревой зоне присоединенной к стенке струи, что обеспечивает при указанных соотношениях расположения конструктивных элементов и ширины каналов устойчивую и надежную работу автогенератора в средах различной вязкости в широких диапазонах измерения.

При этом целесообразно в струйном автогенераторе, согласно изобретению, размер ширины сопла питания определять по формуле:

где Q_min - расход текучей среды, соответствующий минимальному расходу в диапазоне измерений, см³/с;

- кинематическая вязкость текучей среды, см²/с;

к - кратность превышения высоты сопла питания над шириной сопла питания.

Из формулы видно, что выбор размера ширины сопла является универсальным и может быть произведен для выбранного диапазона измерения с учетом вязкости измеряемой среды.

При этом в одном варианте выполнения струйного автогенератора, согласно изобретению, линии обратной связи образованы каналами, расположенными в корпусе между внешними стенками направляющих и стенками корпуса с обеих сторон от управляющей камеры симметрично относительно продольной плоскости симметрии корпуса и параллельными продольной плоскости симметрии корпуса.

Кроме того, в другом варианте выполнения струйного автогенератора, согласно изобретению, струйный автогенератор дополнительно содержит два фланца, в которых выполнены внутренние полости, образующие, по меньшей мере, два канала обратной связи, а сопла управления и входные каналы выполнены сообщающимися с внешней средой, и гидравлическую связь управляющей камеры с каждой линией обратной связи осуществляют путем соединения каждого входного канала и каждого сопла управления с каналом обратной связи.

Кроме того, струйный автогенератор дополнительно содержит средство, приспособленное для гидравлического сообщения управляющей камеры со средством восприятия колебательных импульсов.

Кроме того, в струйном автогенераторе, согласно изобретению, средством, приспособленным для гидравлического сообщения управляющей камеры со средством восприятия колебательных импульсов, служат дополнительно выполненные два сквозные отверстия, расположенные в задней стенке корпуса или в крышке симметрично относительно продольной плоскости симметрии корпуса на выходах из диффузоров входных каналов, по одному с каждой стороны.

Поставленная задача решена также созданием колебательного расходомера, содержащего, по меньшей мере, один струйный автогенератор, по меньшей мере, одно средство восприятия колебательных импульсов и, по меньшей мере, одно средство преобразования колебательных импульсов в цифровой выходной сигнал, отличающегося тем, что в качестве струйного автогенератора используют струйный автогенератор согласно изобретению, и, по меньшей мере, один струйный автогенератор гидравлически связан со средством восприятия колебательных импульсов.

При этом желательно, чтобы, по меньшей мере, один из струйных автогенераторов являлся струйным автогенераторов, имеющим описанные выше сквозные отверстия.

При одном из вариантов выполнения колебательный расходомер, согласно изобретению, содержит четное количество струйных автогенераторов согласно изобретению, гидравлически объединенных соплами питания и гидравлически объединенных выходными каналами, управляющие камеры которых гидравлически связаны между собой линиями обратной связи, образованными гидравлическим соединением выхода первого входного канала первого из автогенераторов со входом первого сопла управления следующего за ним автогенератора, выхода второго входного канала первого из автогенераторов со входом второго сопла управления следующего за ним автогенератора, и так соединены каждый предыдущий автогенератор с каждым последующим автогенератором, и выход первого входного канала последнего из автогенераторов соединен со входом второго сопла управления первого из автогенераторов, а выход второго входного канала последнего из автогенераторов соединен со входом первого сопла управления первого из автогенераторов.

При другом варианте выполнения колебательный расходомер, согласно изобретению, содержит нечетное количество струйных автогенераторов, согласно изобретению, гидравлически объединенных соплами питания и гидравлически объединенных выходными каналами, управляющие камеры которых гидравлически связаны между собой линиями обратной связи, образованными гидравлическим соединением выхода первого входного канала первого из автогенераторов со входом первого сопла управления следующего за ним автогенератора, выхода второго входного канала первого из автогенераторов со входом второго сопла управления следующего за ним автогенератора, и так соединена управляющая камера каждого предыдущего автогенератора с управляющей камерой последующего автогенератора, и выход первого входного канала последнего из автогенераторов соединен со входом первого сопла управления первого из автогенераторов, а выход второго входного канала последнего из автогенераторов соединен со входом второго сопла управления первого из автогенераторов.

Кроме того, в колебательном расходомере, имеющем более чем один струйный автогенератор, согласно изобретению гидравлическое объединение прямолинейных входных участков и гидравлическое объединение выходных каналов струйных автогенераторов может быть выполнено путем установки дополнительно на торцы автогенераторов, по меньшей мере, двух торцевых накладок, по одной с каждого торца, каждая из которых имеет одну внутреннюю полость, приспособленную для сообщения с магистралью текучей среды, и внутренняя полость одной торцевой накладки сообщена с прямолинейными входными участками струйных автогенераторов, а внутренняя полость другой торцевой накладки сообщена с выходными каналами струйных автогенераторов.

При этом желательно, чтобы средство восприятия колебательных импульсов было выбрано из группы, включающей дифференциальные манометры, напорные трубки, датчики механических колебаний, предпочтительно - дифференциальный манометр.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных, не ограничивающих изобретение примеров его осуществления и прилагаемыми чертежами, на которых:

Фиг.1 - струйный автогенератор, согласно изобретению, вид спереди,

Фиг.2 - поперечное сечение П-П струйного автогенератора,

Фиг.3 - струйный автогенератор, согласно изобретению, вариант выполнения, со снятой крышкой, вид сверху,

Фиг.4 - струйный автогенератор, согласно изобретению, вариант выполнения, разрез IV-IV,

Фиг.5 - схема однокаскадного колебательного расходомера с одним струйным автогенератором,

Фиг.6 - схема многокаскадного колебательного расходомера с четным количеством струйных автогенераторов,

Фиг.7 - схема многокаскадного колебательного расходомера с нечетным количеством струйных автогенераторов,

Фиг.8 - один из вариантов выполнения колебательного расходомера с тремя струйными автогенераторами.

Выполнение струйного автогенератора, согласно изобретению, проиллюстрировано вариантами его выполнения, изображенными на Фиг.1, Фиг.2 и Фиг.3, Фиг.4.

Струйный автогенератор 1 (Фиг.1) имеет плоский корпус 2, симметричный относительно продольной плоскости 3 симметрии и выполненный, например, прямоугольным, и крышку 4. Внутренние вертикальные профилированные стенки корпуса 2, горизонтальные задняя стенка 5 корпуса 2 и внутренняя стенка крышки 4 образуют внутренние полости струйного автогенератора и имеют прямоугольные поперечные сечения (Фиг.2) одинаковой высоты а и различной ширины b_i, где i - номер позиции конструктивного элемента.

В корпусе 2 выполнены прямолинейный входной участок 6, имеющий ширину b₆, входной конфузор 7 и сопло 8 питания со срезом 9, имеющее ширину b₈ и длину с, направляющие 10 и 11, управляющая камера 12 и выходной канал 13, имеющий ширину b₁₃, расположенные на одной оси в продольной плоскости 3 симметрии корпуса 2.

В связи с тем, что при рекомендуемой, согласно изобретению, кратности превышения размера а над шириной b₈ сопла 8 питания, равной 3,0 и более 3,0, влияние плоских горизонтальных стенок на условия движения текучей среды в струйном расходомере незначительно, в дальнейшем описание внутренних полостей будет касаться вертикальных внутренних стенок корпуса 2 автогенератора.

Управляющая камера 12 образована внутренними профилированными стенками 14 и 15 направляющих 10 и 11, имеющими начало от среза 9 сопла 8 питания, и имеет вид симметричного относительно продольной плоскости 3 симметрии корпуса 2 трехступенчатого диффузора, первая ступень которого образована плоскими стенками 16 и 17, третья ступень образована плоскими стенками 18 и 19, а вторая ступень образована криволинейными вогнутыми поверхностями 20 и 21, которые обеспечивают плавное сопряжение плоских стенок первой и второй ступени диффузора между собой. При этом управляющая камера 12 имеет симметричные относительно продольной плоскости 3 симметрии первую сторону 22 и вторую сторону 23.

Угол раскрытия первой ступени диффузора управляющей камеры 12, согласно изобретению, желательно выбирать в диапазоне от около 26° до около 60° и, предпочтительно, величиной 40°.

Угол раскрытия третьей ступени диффузора управляющей камеры 12, согласно изобретению, желательно выбирать в диапазоне от около 12° до около 55° и, предпочтительно, величиной 24°.

При этом расстояние d между вершинами углов и желательно выбирать в диапазоне от около 5,0 b₈ до около 10,0 b₈, предпочтительно, 5,75 b₈

В удаленной от сопла 8 питания части направляющих 10 и 11 выполнены входные каналы 24 и 25, соответственно, на первой и второй сторонах 22 и 23 управляющей камеры 12.

В начальной части направляющей 10 и 11 выполнены сопла 26 и 27 управления, имеющие одинаковую ширину b_26,27. Сопла 26 и 27 управления, согласно изобретению, имеют конфузоры 28 и 29, образованные криволинейными поверхностями. Параметры конфузора могут быть выбраны в диапазоне оптимальных величин, известных специалистам, работающим в области гидравлики.

При этом расстояние е от линии А пересечения плоскостей 30 и 31 симметрии сопел 26 и 27 управления с плоскостью 3 симметрии корпуса 2 до среза 9 сопла 8 питания, согласно изобретению, желательно выбирать в диапазоне от около 1,0 b₈ до около 3,0 b₈, предпочтительно, величиной 1,8 b ₈.

Сопряжение поверхностей среза сопла 26 управления и среза сопла 27 управления с поверхностями, соответственно, внутренних стенок 14 и 15, согласно изобретению, желательно выполнять радиусом r₁, выбранным в диапазоне от около 0 до около 0,8 b₈, предпочтительно, равным 0.

При этом угол наклона плоскости 30 симметрии сопла 26 управления и наклона плоскости 31 симметрии сопла 27 управления к продольной плоскости 3 симметрии корпуса, согласно изобретению, желательно выбирать в диапазоне от около 95° до около 150°, предпочтительно, величиной 105°.

На расстоянии f от среза 9 сопла 8 питания симметрично относительно продольной плоскости 3 симметрии корпуса размещены разделители 32 и 33, выполненные в виде выступов на внутренних стенках корпуса 2 и имеющие, соответственно, плоские наружные стенки 34 и 35 и, соответственно, плоские внутренние стенки 36 и 37. Согласно изобретению, расстояние f желательно выбирать в диапазоне от около 10 b₈ до около 20 b ₈, предпочтительно, величиной 13,25 b₈.

Наружные стенки 34 и 35 разделителей 32 и 33 образуют с противолежащими им соответственно, внутренними стенками 14 и 15 входные сопла и диффузоры, соответственно, входных каналов 24 и 25 управляющей камеры 12. Угол раскрытия этих диффузоров может быть выбран в диапазоне известных специалистам, работающим в этой области, оптимальных величин.

Внутренние стенки 36 и 37 образуют между собой выходное сопло 38, имеющее ширину b₃₈, и выходной диффузор 39 выходного канала 13.

Специалистам, работающим в этой области, известно, что эффект Коанда устойчиво проявляется в потоках, имеющих числа Рейнольдса более некоторого минимального значения, определяемого с учетом кинематической вязкости текучей среды, размеров проходного сечения и скорости текучей среды в проходном течении. На практике при известном в заданном диапазоне измерения минимальном значении Q_min расхода текучей среды и известной кинематической вязкости текучей среды, а также принимая во внимание, что проходное сечение имеет вид прямоугольника, можно определить параметры проходного сечения.

Согласно изобретению, в струйном расходомере ширину проходного сечения, то есть ширину b₈ сопла 8 питания, определяют по формуле:

где к - кратность превышения высоты а сопла 8 питания над его шириной.

Согласно изобретению, желательно, чтобы высота а вертикальных стенок была равна или превышала 3,0 b ₈, предпочтительно, выбрана в диапазоне от 3,0 b₈ до 20,0 b₈.

Проведенные авторами изобретения исследования показали, что оптимальные условия работы струйного автогенератора, в частности, организация течения потоков внутри струйного автогенератора, обеспечение устойчивого примыкания струи к стенке, наиболее эффективное использование энергии управляющей струи, минимизация потерь давления в потоке измеряемой текучей среды, реализуются, согласно изобретению, при описанном ранее конструктивном выполнении элементов струйного расходомера при следующем соотношении ширины b, поперечных сечений элементов и ширины b₈ сопла 8 питания:

- при ширине b ₆ прямолинейного входного участка 6, выбранной в диапазоне от около 3,0 b₈ до около 5,0 b₈, предпочтительно, 3,5 b₈,

- при ширине b₁₃ выходного канала 13, выбранной в диапазоне от около 3,0 b₈ до около 5,0 b₈, предпочтительно, 3,5 b₈,

- при ширине b_26,27 сопла 26 управления и сопла 27 управления, выбранной в диапазоне от около 0,5 b₈ до около 1,5 b₈, предпочтительно, 0,8 b₈ ,

- при ширине b₃₈ сопла 38 выходного диффузора, выбранной в диапазоне от около 3,0 b₈ до около 5,0 b₈, предпочтительно, 3,5 b₈,

Согласно изобретению, желательно, чтобы в струйном автогенераторе радиус r₂ сопряжения внутренних вертикальных поверхностей с внутренними горизонтальными поверхностями был выбран в диапазоне от около 0 до около 0,5 b₈, предпочтительно, был равен 0.

Согласно варианту выполнения струйного автогенератора, показанному на Фиг.3, он имеет две линии обратной связи, выполненные в корпусе 2 в виде каналов 40 и 41 обратной связи между, соответственно, внешними стенками 42 и 43 направляющих 10 и 11 и внутренними стенками 44 и 45 корпуса 2, параллельных продольной плоскости 3 симметрии корпуса 2.

Согласно варианту выполнения струйного автогенератора, показанному на Фиг.4, в нем входные каналы 24 и 25 и сопла 26 и 27 выполнены сообщающимися с внешней средой и имеют, соответственно, выходы 46 и 47 входных каналов 24 и 25 и входы 48 и 49 сопел 26 и 27 управления. При этом струйный автогенератор, согласно изобретению, дополнительно имеет, по меньшей мере, один фланец, в котором выполнены внутренние полости, образующие, по меньшей мере, один канал обратной связи. На Фиг.4 показан вариант выполнения струйного автогенератора, в котором имеются два фланца 50 и 51, установленные по одному на боковых сторонах корпуса 2. Очевидно, что каналы обратной связи могут быть выполнены в одном фланце, а расположение фланца на корпусе будет обусловлено, в основном, соображениями целесообразности.

Струйный автогенератор работает следующим образом.

Поток текучей среды подают через прямолинейный входной участок 6 в конфузор 7, предназначенный для подготовки и разгона входящего потока с минимальными потерями давления, затем в сопло 8 питания, в котором происходит окончательное формирование структуры потока, и затем в управляющую камеру 12. В управляющей камере 12 сформированная плоская струя примыкает, например, сначала к внутренней стенке 14 на стороне 22 управляющей камеры 12 и течет по ней с образованием циркуляционной зоны в первой ступени диффузора управляющей камеры. Разделитель 32 отделяет от потока управляющую струю и направляет ее через входное сопло и диффузор во входной канал 24, в линию обратной связи. Затем управляющая струя из линии обратной связи через входной конфузор 28 и сопло 26 управления возвращается в управляющую камеру 12 через сопло 26 управления и поступает в поток в его циркуляционной зоне. Основной поток выводится через выходное сопло 38, выходной диффузор 39 и выходной канал 13 в магистраль 54. При этом в выходном диффузоре 39 происходит расширение потока с уменьшением его скорости с одновременным снижением степени пульсации выходного потока.

Воздействие энергии управляющей струи приводит к изменению характера течения потока, поступающего через сопло питания, и поток отрывается от стенки 14 на стороне 22 и примыкает к внутренней стенке 15 на стороне 23 управляющей камеры. Те же действия потока и струи повторяются на стороне 23 до тех пор, пока воздействие управляющей струи из сопла 27 управления не приведет к смещению установившегося равновесия и не перебросит поток обратно на первую сторону 22 управляющей камеры. Таким образом генерируются колебания в управляющей камере автогенератора. Наиболее отчетливо колебания детектируются на выходе диффузоров входных каналов 24 и 25 в виде пульсаций давления, так как одновременно с эффектом попеременного отсутствия или присутствия струи в этих сечениях конструктивно обеспечивается увеличение статического давления в струе, отделенной от потока, путем ее торможения при расширении в выходном диффузоре входного канала 24, 25.

Для применения струйного автогенератора в колебательном расходомере в качестве источника автоколебаний измеряемой текучей среды в струйном автогенераторе может быть организовано средство для гидравлической связи его внутренних полостей со средством восприятия колебательных импульсов текучей среды, имеющим чувствительные элементы, например, с помощью размещения конструктивного элемента, содержащего чувствительный элемент, в непосредственном контакте с пульсирующим потоком, или путем размещения чувствительных элементов вне внутренних полостей автогенератора, с обеспечением связи их со средством восприятия колебательных импульсов, расположенном на расстоянии от струйного автогенератора, например, с помощью конструктивных элементов, выполненных в самом струйном автогенераторе или присоединяемых к нему.

В струйном автогенераторе, согласно изобретению, возможно осуществление любого из известных способов размещения любых из известных чувствительных элементов и средств восприятия колебательных импульсов потока.

Для случая использования струйного генератора 1, при котором чувствительные элементы и средства восприятия колебательных импульсов могут быть расположены вне полости управляющей камеры, сообщение управляющей камеры струйного автогенератора с этими средствами может быть осуществлено с помощью выполненных в задней стенке корпуса или в крышке сквозных отверстий 52 и 53, расположенных симметрично относительно продольной плоскости 3 симметрии корпуса 2, по одному с каждой стороны, на выходах диффузоров входных каналов 24 и 25. Очевидно, что эти отверстия могут быть приспособлены или для присоединения их непосредственно к средству восприятия колебательных импульсов или для присоединения к ним дополнительных конструктивных элементов или устройств для дистанционной связи с таким средством.

Колебательный расходомер, как известно специалистам, работающим в области приборостроения, как правило, содержит генератор колебаний потока текучей среды, гидравлически связанный с магистралью текучей среды, соединенное с ним средство восприятия колебательных импульсов потока и средство преобразования импульсов в цифровой выходной сигнал.

Колебательный расходомер, согласно изобретению, может быть выполнен по схеме, изображенной на Фиг.5. В этом варианте он является однокаскадным и содержит один струйный автогенератор 1, выполненный по любому варианту согласно изобретению, и подключенный в магистраль 54 текучей среды, например, по полнопоточной схеме, одно средство 55 восприятия колебательных импульсов и одно средство 56 преобразования импульсов в цифровой выходной сигнал.

Такой колебательный расходомер работает следующим образом.

Поток измеряемой текучей среды поступает из магистрали в струйный автогенератор, который вышеописанным способом генерирует в потоке автоколебания, причем частота этих колебаний прямо пропорциональна расходу текучей среды через сопло питания струйного автогенератора. Отработанный поток выводится из струйного автогенератора через выходной канал в магистраль. Колебания потока фиксируются чувствительным элементом средства восприятия колебательных импульсов, например датчиком. Датчик может представлять собой любой чувствительный к разности давления прибор, подключенный к средству преобразования колебательных импульсов в цифровой сигнал, например дифференциальный манометр.

Датчик преобразует импульсы давления в электрические импульсы, частота которых пропорциональна объемному расходу текучей среды через сопло питания, а их амплитуда пропорциональна плотности среды. Электрические импульсы поступают в средство преобразования импульсов в цифровой сигнал, в котором согласно исходно заданному алгоритму частота и амплитуда импульсов преобразуется в цифровую информацию в удобном для пользователя виде.

Для измерения больших объемных расходов текучих сред предпочтительны многокаскадные расходомеры, обеспечивающие разделение общего потока текучей среды на несколько потоков, направляемых одновременно в несколько струйных автогенераторов.

Колебательный расходомер, согласно изобретению, может быть выполнен многокаскадным и содержать четное количество струйных автогенераторов 1, выполненных по любому варианту согласно изобретению, гидравлически объединенных прямолинейными входными участками 6 и гидравлически объединенных выходными каналами 13, и гидравлически соединенных между собой, как показано на схеме Фиг.6.

При этом линии обратной связи образованы гидравлическим соединением выхода 48 входного канала 24 стороны 22 предыдущего автогенератора со входом 46 сопла 26 управления стороны 22 последующего автогенератора, выхода 49 входного канала 25 стороны 23 предыдущего автогенератора со входом 47 сопла 27 управления стороны 23 последующего автогенератора, выхода 48 входного канала 24 стороны 22 последнего автогенератора со входом 47 сопла 27 управления стороны 23 первого автогенератора и выхода 49 входного канала стороны 23 последнего автогенератора со входом 46 сопла 26 управления стороны 22 первого автогенератора.

Колебательный расходомер, согласно изобретению, может содержать нечетное количество струйных автогенераторов, выполненных по любому варианту, гидравлически объединенных прямолинейными участками и гидравлически объединенных выходными каналами, управляющие камеры которых гидравлически соединены, как показано на схеме Фиг.7.

При этом линии обратной связи образованы гидравлическим соединением выхода 48 входного канала 24 стороны 22 предыдущего автогенератора со входом 46 сопла управления стороны 22 последующего автогенератора, выхода 49 входного канала 25 стороны 23 предыдущего автогенератора со входом 47 сопла 27 управления стороны 23 последующего автогенератора, выхода 48 входного канала 24 стороны 22 последнего автогенератора со входом 46 сопла 26 управления стороны 22 первого автогенератора, выхода 49 входного канала 25 стороны 23 последнего автогенератора со входом 47 сопла 27 управления стороны 23 первого автогенератора.

При этом хоты бы один из струйных автогенераторов должен быть подключен к средству восприятия колебательных импульсов. В обоих вариантах многокаскадного колебательного расходомера (Фиг.6 и Фиг.7) два струйных автогенератора подключены к средствам восприятия колебательных импульсов.

Каналы обратной связи могут быть выполнены, согласно изобретению, в корпусе автогенератора, например, как показано на Фиг.3, или в дополнительных съемных боковых фланцах, как показано на Фиг.4. Каналы обратной связи могут быть выполнены в одном фланце, например, располагаемом между корпусами струйных автогенераторов, например собранных в один пакет.

На Фиг.8 показан вариант выполнения соединения в пакет трех струйных автогенераторов 1, при котором каналы обратной связи выполнены в двух фланцах 50, 51, установленных на боковых сторонах пакета.

Гидравлическое объединение прямолинейных входных участков 6 и гидравлическое объединение выходных каналов 13 струйных автогенераторов и их соединение с магистралью текучей среды может быть выполнено, согласно изобретению, с помощью торцевых накладок 57, 58, размещенных на торцах струйных автогенераторов и имеющих внутренние полости 59, 60, приспособленные для сообщения с магистралью текучей среды и для сообщения, соответственно, с прямолинейным входным участком 6 или с выходным каналом 13. Возможный вариант установки и выполнения торцевой накладки показан на Фиг.4 и на Фиг.8.

Выполнение колебательного расходомера по многокаскадной схеме позволяет повысить точность измерения расхода, особенно в диапазоне больших объемных расходов, за счет обеспечения гарантированного присоединения струи к внутренней стенке в каждом струйном автогенераторе, улучшить массогабаритные показатели за счет возможности уменьшения габаритов каждого струйного автогенератора, при многокаскадной схеме работающего на меньшем объемном расходе, упростить реализацию функции самодиагностики расходомера за счет выявления нарушения сдвига фазы сигнала от автогенератора.

Струйные автогенераторы и колебательные расходомеры, согласно изобретению, могут быть изготовлены из конструкционных материалов широкого диапазона, в том числе, коррозионностойких металлических сплавов, пластмасс и композиционных материалов.

Выше были описаны примеры выполнения струйного автогенератора и колебательных расходомеров на его основе согласно изобретению. Специалистам, сведущим в области приборостроения и гидравлики, должно быть очевидно, что в устройствах, согласно изобретению, достигается высокий уровень точности измерений при значительном диапазоне измерений в различных текучих средах и что в вышеописанные устройства могут быть внесены изменения и усовершенствования, не выходящие за рамки объема изобретения и пунктов формулы изобретения.

Колебательный расходомер, согласно изобретению, и струйный автогенератор, согласно изобретению могут быть легко реализованы с применением широко известных технологий и материалов и могут найти широкое применение в народном хозяйстве в химической, нефтехимической, газодобывающей, и других отраслях промышленности для измерения различных жидких и газовых сред в широком диапазоне измерений.