устройство гидродинамического измерения плотности

Формула изобретения

Устройство гидродинамического измерения плотности среды, содержащее сужающее устройство с измерителем перепада давления, выход которого связан с вычислителем, отличающееся тем, что последовательно по потоку введены побудитель расхода и контур поддержания нулевого перепада давления с измерителем перепада давления, электродвигателем с устройством поддержания его частоты вращения и насос-мотором с измерителем частоты вращения его вала, контур вместе с измерителем частоты вращения вала связан с вычислителем для обработки результатов измерения, преобразования и вычисления плотности среды.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к проточным гидродинамическим плотномерам, и может использоваться для измерения плотности различных сред как для жидкостей в открытых сосудах, так и в закрытых трубопроводах и резервуарах, находящихся под давлением, в том числе при коммерческих расчетах с поставщиками топлива.

Известны устройства проточного измерения плотности сред, например [1. Кивилис С.С. Плотномеры. М. Энергия 1980, с.217], включающее синхронный двигатель, вращающий с постоянной скоростью турбинку с винтовыми лопастями. Закрученный поток передает свою энергию цилиндрической гильзе с наклонными лопастями и соосной валу турбинки. Измерение ведется по показаниям зависящих от плотности среды угла поворота гильзы, связанной с пружиной.

Недостатками этих технических решений является большая погрешность измерения плотности, а также большие габариты устройства.

Известно устройство измерения массового расхода [2. Многопараметрический массовый расходомер Multivariable модель 3095 MV, Проспект фирмы Fischer - Rosemount 00813-0100-4716 Rev DA 11/98, тел. (095) 2326968], включающее измерение плотности и расхода потока при помощи измерителя перепада давления, установленного на сужающем устройстве (СУ) в потоке среды.

Недостатками этого устройства являются:

- специальное программное обеспечение для решения дифференциальных уравнений и расчета поправок, полученных измерением других параметров протекающей среды через СУ;

- сравнительно небольшой диапазон измерения скорости среды, обеспечивающий погрешность измерения 1%. Кроме того, величина погрешности по скорости исчисляется не к текущему значению, а к максимальному значению шкалы.

По конструкции наиболее близким аналогом одного из элементов предлагаемого плотномера является известное устройство для определения расхода гомогенных жидкостей [4. Расходомер PLU 103 А производства фирмы Pierburg Luftfahrtgerate Union GmbH. Bataverstr. 80/ Postfach 100 261 D -4040 Neuss West-Germany.tel. (02101)523-1, информационный листок], содержащее насос-мотор с электродвигателем в контуре поддержания нулевого перепада давления, измеритель числа оборотов, связанный с вычислителем.

Наиболее близким к предлагаемому устройству, принятому за прототип, является устройство измерения плотности при вычислении массового расхода [3. Метод измерения массового расхода вещества сужающими устройствами. Э.Н.Фарзане. ж. ИТ №12/2003], относящееся к классу гидродинамических плотномеров.

Устройство [3] содержит СУ в основном канале с измерителем перепада давления, выход которого связан с вычислителем, а также исполнительный орган и заслонка, расположенные в байпасном канале с входом в основной канал за пределами СУ по течению.

Недостатками известного устройства [3] являются:

- измерение основной части скорости происходит на СУ, которое имеет ограниченный диапазон;

- скорость среды измеряется перепадом давления по квадратичной зависимости между ними, что обуславливает малый диапазон измерения и неравномерность шкалы прибора;

- плотность среды определяется косвенным путем подстановкой соотношения в уравнениях при вычислении массового расхода;

- подается периодический сигнал на открытие заслонки канала байпаса, т.е. происходит неодновременное измерение скорости в основном канале и байпасе, что приводит к дополнительной погрешности;

- имеются неучтенные протечки по каналу байпаса через заслонку и объемный расходомер, приводящие к погрешности при измерении скорости и плотности;

- для плотности среды ищется некоторое соотношение из уравнений массового расхода через СУ и байпас;

- наличие нелинейности более 1%, люфта и дрейф показаний.

Целью изобретения является устранение перечисленных недостатков в известных устройствах.

Для этого предлагается устройство гидродинамического измерения плотности среды, содержащее сужающее устройство с измерителем перепада давления, выход которого связан с вычислителем, отличающееся тем, что последовательно по потоку введены побудитель расхода и контур поддержания нулевого перепада давления с измерителем перепада давления, электродвигателем с устройством поддержания его частоты вращения и насос-мотором с измерителем частоты вращения его вала, контур вместе с измерителем частоты вращения вала связан с вычислителем для обработки результатов измерения, преобразования и вычисление плотности среды.

Предлагается устройство проточного измерения плотности, в котором методом нулевого перепада давления измеряется скорость среды и одновременно в тех же условиях измеряется перепад давления на СУ.

Областью применения устройства могут быть также открытые непроточные сосуды, резервуары и трубопроводы, находящиеся под давлением.

В работе задействованы два измерительных участка: один для измерения скорости протекания среды, другой - для измерения перепада давления на СУ и последующего вычисления плотности среды.

На чертеже представлена схема устройства.

Гидравлический тракт устройства состоит из двух измерительных участков, в которых расположено: 1 - первый измерительный участок для измерения скорости среды; 2 - вход в первый измерительный участок; 3 - выход из первого измерительного участка; 4 - насос-мотор, например, винтового типа; 5 - измерительный участок для измерения перепада давления; 6 - СУ, например, стандартное; 7 - вход в измерительный участок 5; 8 - выход из измерительного участка 5; 9 - соединительный трубопровод; 10 - побудитель расхода; 11 - входной трубопровод.

Управляющая и измерительная части предлагаемого устройства содержат: 12 - нуль-орган перепада давления для измерения скорости среды; 13 - электродвигатель, 14 - измеритель частоты вращения вала электродвигателя; 15 - устройство поддержания частоты вращения вала электродвигателя; 16 - измеритель перепада давления на СУ; 17 - вычислитель; 18 - выход измерителя плотности.

Устройство работает следующим образом. На чертеже показан один из возможных вариантов соединения элементов насос-мотора 4, 6 - СУ, 10 - побудитель расхода.

Контур с оборудованием 1, 2, 3, 4, 12, 13, 15 предназначен для поддержания нулевого перепада давления Р0 на измерительном участке 1 (на насос-моторе 4). Нульорган 12 при возникновении перепада давления на насос-моторе 4 подает сигнал через устройство 15 поддержания частоты вращения вала электродвигателя 13 для снижения величины перепада давления. В такой схеме контур реагирует на изменение нагрузки по давлению как на входе 2, так и на выходе 3. Сигнал измерителя частоты вращения вала электродвигателя 14 фиксируется в вычислителе 17 для подсчета скорости прохождения среды через измерительный участок 1.

Контролируемая среда проходит по входному трубопроводу 11 через побудитель расхода 10, например центробежного типа, на вход 2 и попадает на первый измерительный участок 1 в насос-мотор 4. При превышении давления на входе 2 над давлением выхода 3 отрицательный сигнал по перепаду давления приводит к увеличению частоты вращения вала насос-мотора 4 для компенсации сигнала по перепаду давления, при положительном знаке перепада давления, насос-мотор 4 уменьшает скорость вращения для снятия этого сигнала. Таким образом, насос-мотор 4 работает в режиме нулевого перепада на всех оборотах диапазона измерения.

Частота вращения вала насоса-мотора 4, связанного с валом электродвигателя 13, прямо пропорциональна скорости среды, проходящей через насос-мотор 4. Данные по частоте вращения вала электродвигателя, полученные с измерителя 14 передаются в вычислитель 17 для обработки результатов измерения, преобразования и получения искомой величины в виде плотности среды.

Измеряемая среда из участка 1 продвигается через выход 3 и вход 7 во второй измерительный участок 5, в котором расположено СУ устройство 6, на котором измеряется перепад давления 16, и далее на выход 8 из всего устройства.

Полученные данные по перепаду давления на СУ и частоты вращения насос-мотора 4 или скорости прохождения среды передаются в вычислитель. При наличии двух одновременно измеренных величин производят операцию вычисления плотности среды.

Первая - это величина скорости среды V, прошедшей через первый измерительный участок 1. Неучтенные протечки близки к нулю при нулевом перепаде на насос-моторе 4. Точность измерения скорости высокая.

Физический объем перекачиваемой среды в единицу времени насос-мотором, становится известной величиной, которая прямо пропорциональна частоте вращения вала регулируемого электродвигателя. Т.е. объемный расход равен единичному объему (литражу) самого насос-мотора умноженному на частоту вращения f электродвигателя. Таким образом, частота вращения вала электродвигателя, умноженная на постоянный размерный коэффициент, и есть расход среды на первом измерительном участке. Далее вычислителем 17 подсчитывается скорость V протекания среды на первом участке 1 из полученного объемного расхода среды Q путем деления на фактическое проходное сечение F насос-мотора. Получим скорость V, пропорциональную частоте вращения f, через коэффициент V=K₁f.

Вторая измеренная величина - это перепад давления Р на втором измерительном участке, полученный с помощью СУ измерителем 16. Переданная информация о скорости V в вычислитель 17 используется далее для определения величины плотности среды из величины скоростного напора, приравненной к величине перепада давления на СУ, при известной скорости протекания среды (из вычисленных данных измерения на первом измерительном участке) Р=К ₂V ².

Две величины - скорость среды, пропорциональная частоте f вращения вала электродвигателя, и перепад давления Р, позволяют решить уравнение и получить плотность среды.

=P/K ₂V²=P/K ₂K₁ ²f².

Преимущества предлагаемого устройства, приобретаемого с помощью признаков, приведенных в отличительной части формулы следующие.

Введение дополнительного измерительного участка для получения данных с одного и другого измерительных участков о двух независимых переменных для вычисления зависимости.

Сочетание способов измерения: измерения скорости среды с повышенной точностью при нулевом перепаде давлений на насос-моторе по частоте вращения вала и измерения скоростного напора среды методом переменного перепада давления на СУ.

Измерение расхода при нулевом перепаде давлений придает предлагаемому техническому решению следующие преимущества:

- значительное расширение диапазона измерений,

- отсутствие протечек при нулевом перепаде позволяет измерять скорость с максимальной и одинаковой точностью по всему диапазону измерения,

- при измерении скорости среда не подвергается сжатию и расширению, проходя через первый измерительный участок,

- поскольку определение скорости среды осуществляется с помощью объемного насос-мотора с нулевым перепадом, то обеспечивается пробковый режим течения среды, например газожидкостных смесей,

- определяют плотность путем вычисления из полученных данных по перепаду давления из другого измерительного участка. При вычислении используются также одновременно данные объемного расхода в виде скорости протекания среды по первому измерительному участку,

- пропорциональная зависимость плотности от перепада давления на СУ,

- определение плотности среды, именно в момент нулевого перепада давления, позволяет отказаться от поправок по параметрам (вязкость, давление, температура) и окружающей среды,

- объем, приходящийся на 1 оборот насоса, всегда один и тот же и не зависит от типа жидкости и газа, плотности, вязкости и температуры перекачиваемой среды, поскольку геометрический объем замыкания между винтами всегда один и тот же.