CZ11576U1 - Zařízení pro měření průtoku a množství plynů nebo kapalin - Google Patents

Description

Technické řešení se týká zařízení pro měření průtoku a množství plynů nebo kapalin, sestávajícího z potrubí a v něm umístěného tělesa.

Dosavadní stav techniky

Dosud používaná měřidla průtoku a množství kapalin a plynů jsou opatřena čidly průtoku, která provádějí signálové transformace analogické velikosti průtoku tekutiny přenášených pouze potrubím kruhového průřezu. Tak je tomu na příklad u normované clony, dýzy nebo při průtoku zakřiveným kanálem. Signály vytvořené po průtoku takovými čidly se vyznačují přibližně kvadratickou charakteristikou, která je dále závislá na změně hustoty protékající tekutiny čidlem, což má za následek komplikace při vyhodnocování velikosti průtoku a množství proteklé tekutiny. Dalším nedostatkem těchto čidel s kvadratickou charakteristikou je malý měřicí rozsah průtoku pro praktické použití vyjádřený poměrem 1:3. Další omezovači okolností pro správné používání čidel jako je clona nebo dýza, je dodržování podmínek sestavených do souboru předpisů, jako je rozsah průměrů pouze kruhového potrubí, vymezený na velikosti 50 až 1000 mm, rovný úsek potrubí o délce 50 průměrů a více a řada dalších požadavků. Z hlediska energetického se při průtoku clonou a dýzou vytváří podstatná tlaková ztráta.

Jiná dosud používaná měřidla průtoku a množství kapalin a plynů provádějí signálovou transformaci na frekvenci opakovaného pohybu funkčního prvku, jako je píst s přímočarým pohybem, píst s kombinovaným pohybem rotačním a translačním, oválové těleso, a podobně. Použití takových funkčních prvků pro stavbu měřidel průtoku a množství tekutin je omezeno rozměry funkčního prvku v tělese přístroje vyráběného pro zapojení do potrubí v rozsahu světlostí 15 a 150 mm. Funkce těchto měřidel průtoku a množství tekutin je spojena s tlakovou ztrátou, způsobenou těsnými pohyby funkčního prvku v tělese přístroje. Proto jsou měřicí rozsahy omezeny na poměr 1 : 10.

Frekvenční výstupní signály o průtoku kapalin a plynů je možno získávat sdílením hybnosti tekutiny rotoru opatřeného soustavou lopatek a uloženého pro radiální a axiální pohyb. Takové přístroje se vyrábějí pro zabudování do potrubí o průměrech v rozmezí 10 až 450 mm, ale i 800 mm. Jejich měřicí rozsahy jsou 1 : 10. Nevýhodami jsou provozní změny stavů ložisek a značné momenty setrvačnosti rotorů.

Vedle těchto zařízení s totálním průtokem čidel se pro získání signálů o průtoku používají rychlostní sondy v jediném bodě rychlostního pole tekutiny. Většina rychlostních sond je konstrukčními modifikacemi založena na využití přeměny pohybové energie ve zvoleném bodě rychlostního pole na tlakový signál. Některé rychlostní sondy používají současně několika bodů ke stanovení profilu rychlostního pole. Všechny takto získané signály o rychlosti v jednom nebo v několika bodech rychlostního pole mohou být použity pro snímání průtoku celým rychlostním polem na základě znalosti vztahu mezi bodovou rychlostí a střední rychlostí celého pole. Takový vztah se získá individuálním experimentálním postupem. Další nevýhodou náporových rychlostních sond je kvadratická charakteristika signálové transformace a dále obtíže při zpracování signálů, zejména při nízkých absolutních tlacích průtoku plynů a konečně také při malých rychlostech plynů.

Při přenosu velkých výkonů tekutinami a potřebě jejich řízení za různých stavových poměrů a provozních podmínek, selhávají dosavadní způsoby měření průtoku a množství tekutin a z nich odvozené technické prostředky. Vedle požadavků kladených na statické charakteristiky čidel průtoků tekutin přistupují dynamická kriteria přenosu signálů o průtoku plynoucí z uskutečňování programů řízení.

- 1 CZ 11576 Ul

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky jsou odstraněny zařízením pro měření průtoku a množství plynů nebo kapalin, sestávajícím z potrubí a v něm umístěným tělesem podle tohoto technického řešení. Jeho podstatou je těleso symetricky uspořádané podle tří ortogonálních rovin, pevně upravené souose v geometricky podobném potrubí kruhového nebo nekruhového průřezu. Těleso je sestavené ze tří částí vytvořených přímkovými plochami, jejichž průsečnice střední a okrajových ploch částí tělesa tvoří hrany.

Těleso v potrubí je s výhodou opatřeno otvory ve středu náporové a úplavové stěny tělesa a/nebo dalšími otvory na povrchu tělesa v rovině symetrie tělesa pro přenos tlakových signálů o průtoku plynů a/nebo kapalin pro oba směry pohybu tekutiny v potrubí.

Těleso je ve výhodném provedení opatřeno souosým průtočným otvorem, který je upraven pro měření parciálního průtoku vytvořeného větvením z celkového průtoku potrubí. Do průtočného otvoru v tělese je s výhodou těsně zabudováno čidlo průtoku uspořádané ze soustavy desek upravených vedle sebe a oddělených na protilehlých okrajích distančními díly opatřenými pomocnými otvory pro přenos statických tlaků tekutiny z každého kanálu soustavy štěrbin alespoň ve dvou rovinách kolmých na směr proudění a přenášených dále do odpovídajícího sběrného kanálu.

Do průtočného kanálu v tělese může být alternativně vložena komora se vtokovým a výtokovým otvorem, přičemž blíže výtokového otvoru je umístěna kolmo na směr proudění volně otočná deska a její pohyby mezi dvěma zarážkami jsou přenášeny bezdotykovým převodníkem.

Podstata technického řešení spočívá v uspořádání potrubí s tělesem, sestaveným ze tří částí vytvořených přímkovými plochami, jejichž průniky střední a okrajových částí tělesa tvoří hrany. Geometrické uspořádání tělesa symetricky podle tří ortogonálních rovin umožňuje vytvořit čidlo průtoku pro měření množství plynů a kapalin pro oba směry proudění tekutin potrubím. Při obtékání tělesa tekutinou se mění pohybová a tlaková energie tekutiny následkem čehož lze stanovit střední průtočnou rychlost tekutiny mezi potrubím a tělesem podle změny statického tlaku tekutiny potrubím. Rovněž je možné alternativní provedení odběru tlaků pro opačný směr potrubím.

Stanovení střední průtočné rychlosti tekutiny mezi potrubím a tělesem je založeno na přenosu celkového tlaku tekutiny ve středu tělesa na jeho náporové straně a celkového tlaku tekutiny ve středu tělesa na úplavové straně.

Další sestavení snímacích sond tlaků pro stanovení střední rychlosti tekutiny mezi potrubím a tělesem je takové, že sonda snímá celkový tlak tekutiny před tělesem a statický tlak mezi potrubím a tělesem se přenáší štěrbinovými otvory do komory umístěné v tělese a propojené s impulzní trubicí.

Průtok a množství plynů a kapalin v potrubí se může dále měřit podle velikosti parciálního průtoku průtočným otvorem umístěným souose v tělese v geometricky podobném potrubí kruhového nebo nekruhového průřezu. Parciální průtok tělesem vzniká větvením celkového průtoku potrubím, kterému je parciální průtok úměrný.

Měření velikosti parciálního průtoku otvorem v tělese se provádí výhodně čidlem průtoku tekutiny s lineární průtokovou charakteristikou, které odpovídá například laminámí pohyb tekutiny. K tomu účelu se používá konstrukce čidla průtoku tvořeného deskami uspořádanými vedle sebe a oddělenými po obou protilehlých okrajích distančními díly. V takto vytvořené soustavě štěrbin nastává laminámí proudění tekutin, při kterém je rychlost tekutiny lineární funkcí rozdílu statických tlaků vytvořených po délce soustavy štěrbin. Výhoda konstrukce čidla průtoku tvořeného soustavou štěrbin spočívá v přenosu statického tlaku snímaného otvorem v každé průtočné štěrbině, alespoň ve dvou rovinách kolmých na směr proudění. Statické tlaky snímané v každé štěrbině otvory jsou přenášeny do odpovídajícího sběrného, kanálu propojeného s převodníkem tlakové diference.

-2CZ 11576 U1

Činnost tekutinového oscilátoru s volně pohyblivou deskou je založen na interakci pohybu tekutiny v průtočné komoře a pohybu desky mezi zarážkami. Objem tekutiny proteklé otvorem je úměrný dráze vykonané některým bodem desky mezi zarážkami. Vzhledem k tomu, že tato dráha je tvořena součtem elementárních trajektorií pevně určených kruhovými oblouky, které deska cyklicky opisuje mezi zarážkami, je možno proteklý objem vyjádřit počtem vykonaných cyklů, tj. počtem cyklických pohybů - dvojic (start, návrat) desky vzhledem k jedné zarážce.

Přenos pohybu desky se provádí indukčním nebo optoelektronickým převodníkem, přičemž počet cyklů desky za jednotku času - frekvence desky, udává vteřinový průtok tekutiny, součet cyklů desky udává celkové množství proteklé tekutiny.

Zařízení podle tohoto technického řešení odstraňuje nevýhody škrtících čidel typu clona, dýza a jejich modifikace tím, že podstatně snižuje kontrakci proudu tekutiny při obtékání tělesa podle tohoto technického řešení a výrazně omezuje oblast tvoření vírů. Tím snižuje energetické ztráty při měření. Řešení dále umožňuje měření průtoků v kanálech kruhového a nekruhového průřezu. Další výhodou je transformace analogové veličiny velikosti průtoku na digitální signál frekvence. Konstrukce celého zařízení je přehledná a technologické nároky na jeho výrobu jsou nízké. Další podstatnou výhodou je to, že zařízení umožňuje měření průtoků v obou směrech proudění tekutiny potrubím. Zařízení umožňuje měřit průtok tekutin v rozsahu střední rychlosti od 1 až do 40 m/s.

Přehled obrázků na výkresech

Technické řešení bude podrobněji popsáno na konkrétním příkladu provedení s pomocí přiložených výkresů, kde na obr. 1 je znázorněno schématicky v bokorysu základní řešení zařízení pro měření průtoku a množství plynů nebo kapalin. Na obr. 2 je znázorněno provedení z obr. 1, opatřené sondou statického tlaku. Na obr. 3 je znázorněno schématicky v bokorysu další možné provedení zařízení podle tohoto technického řešení. Na obr. 4 je znázorněno schématicky v bokorysu ještě jedno provedení. Na obr. 5 je znázorněno schématicky v bokorysu v řezu další možné řešení s tělesem se souosým otvorem. Na obr. 6 je znázorněno schématicky čidlo průtoku. Na obr. 7 je znázorněno schématicky v bokorysu další možné provedení zařízení pro měření průtoku a množství plynů nebo kapalin a na obr. 8 je znázorněno řešení z obr. 7 v půdorysu.

Příklady provedení technického řešení

Podstata technického řešení spočívá v uspořádání potrubí I s tělesem 2, sestaveným ze tří částí vytvořených přímkovými plochami, jejichž průniky střední a okrajových částí tělesa 2 tvoří hrany, jak je to znázorněno na obr. 1. Geometrické uspořádání tělesa 2 symetricky podle tří ortogonálních rovin umožňuje vytvořit čidlo průtoku a množství plynů a/nebo kapalin pro oba směry 3 a 4 proudění tekutin potrubím I podle šipek na obr. 1. Při obtékání tělesa 2 tekutinou se mění pohybová a tlaková energie tekutiny, následkem čehož lze stanovit střední průtočnou rychlost tekutiny mezi potrubím £ a tělesem 2 podle rozdílu statického tlaku v sondě 5 a v sondě 6 tekutiny potrubím 1 směrem 3. V alternativním provedení je možné provádět odběiy tlaků analogicky pro opačný směr 4 v potrubí i.

Jiný způsob stanovení střední průtočné rychlosti tekutiny mezi potrubím 1 a tělesem 2 je založen na přenosu celkového tlaku 7 tekutiny ve středu tělesa 2 na jeho náporové straně a celkového tlaku 8 tekutiny ve středu tělesa 2 na úplavové straně, jak je to znázorněno na obr. 3.

Další sestavení snímacích sond tlaků pro stanovení střední rychlosti tekutiny mezi potrubím I a tělesem 2 je uvedeno na obr. 4. Sonda 9 snímá celkový tlak tekutiny před tělesem 2 a statický tlak mezi potrubím £ a tělesem 2 se přenáší štěrbinovými otvory do komory £1 umístěné v tělese 2 a propojené s impulzní trubicí 12.

Průtok a množství plynů a kapalin v potrubí i se dále může měřit podle velikosti parciálního průtoku 13 průtočným otvorem 14 umístěným souose v tělese 2, umístěným souose

-3CZ 11576 Ul v geometricky podobném potrubí 1 kruhového nebo nekruhového průřezu, viz. obr. 5. Parciální průtok 13 tělesem 2 vzniká větvením celkového průtoku Γ5 potrubím I, kterému je parciální průtok 13 úměrný.

Měření velikosti parciálního průtoku 13 průtočným otvorem M v tělese 2 se provádí výhodně čidlem průtoku tekutiny s lineární průtokovou charakteristikou, která odpovídá například pro laminámí pohyb tekutiny. K tomu účelu se použije konstrukce čidla průtoku tvořeného deskami 16 podle obr. 6., uspořádanými vedle sebe a oddělenými po obou protilehlých okrajích distančními díly 17. V takto vytvořené soustavě štěrbin 19 nastává laminámí proudění tekutin, při kterém je rychlost tekutiny lineární funkcí rozdílu statických tlaků vytvořených po délce soustavy štěrbin 19. Výhoda konstrukce čidla průtoku tvořeného soustavou štěrbin 19 spočívá v přenosu statického tlaku snímaného otvorem 18 v každé průtočné štěrbině 19, alespoň ve dvou rovinách 20 kolmých na směr proudění. Statické tlaky snímané v každé štěrbině 19 otvory Γ8 jsou přenášeny do odpovídajícího sběrného kanálu 21 propojeného s převodníkem tlakové diference.

Celá soustava průtokových štěrbin 19 je uložena mezi spodní základovou desku 22 a vrchní desku 23 čidla průtoku a stažena svorníky viz. obr. 5. Takto sestavené čidlo parciálního průtoku 13 tělesem 2 je těsně uloženo v průtočném otvoru 14 tělesa 2 souose upevněného v potrubí 1.

Parciální průtok tekutiny průtočným otvorem 14 v tělese 2 souose uloženém v potrubí 1 se může jiným způsobem měřit tekutinovým oscilátorem sestávajícím z průtočné komory 24 (obr. 8.) pravoúhlého průřezu. Komora je vytvořena spodní stěnou 25 (obr. 7.) a vrchní stěnou 26 a obvodovou stěnou 27 umístěnou kolmo ke spodní stěně 25 a vrchní stěně 26. Do průtočné komory 24 ústí vtokový otvor 28 tvořený rovinnými stěnami uspořádanými symetricky ke středící rovině. Z průtočné komory 24 vychází výtokový otvor 29 tvořený rovinným stěnami, které jsou rovněž symetricky uspořádány ke středící rovině společné se středící rovinou vtokového otvoru 28. Mezi vtokovým otvorem 28 avýtokovým otvorem 29 je, blíže k výtokovému otvoru 29, otočně uložena otočná deska 30 s osou ve středící rovině spodní stěny 25 a vrchní stěny 26, kolmo ke spodní stěně 25 a vrchní stěně 26. Volný rotační pohyb otočné desky 30 je vymezen dvěma zarážkami 31. a 32 umístěnými souměrně podle osy komory 24 před výtokovým otvorem 29.

Činnost tekutinového oscilátoru s volně pohyblivou otočnou deskou 30 je založen na interakci pohybu tekutiny v průtočné komoře 24 a pohybu otočné desky 30 mezi dvěma zarážkami 31 a 32. Objem tekutiny proteklé výtokovým otvorem 29 je úměrný dráze vykonané některým bodem otočné desky 30 mezi dvěma zarážkami 31 a 32. Vzhledem ktomu, že tato dráha je tvořena součtem elementárních trajektorií pevně určených kruhovými oblouky, které otočná deska 30 cyklicky opisuje mezi dvěma zarážkami 31 a 32, je možno proteklý objem vyjádřit počtem vykonaných cyklů, tj. počtem cyklických pohybů - dvojic (start, návrat) otočné desky 30 vzhledem k jedné ze dvou zarážek 31. a 32.

Přenos pohybu otočné desky 30 se provádí indukčním nebo optoelektronickým převodníkem 33, přičemž počet cyklů otočné desky 30 za jednotku času, tj. frekvence otočné desky 30, udává vteřinový průtok tekutiny, součet cyklů otočné desky 30 udává celkové množství proteklé tekutiny.

Vedle uvedených možností měření parciálních průtoků tekutiny průtočným otvorem H v tělese 2 znázorněných na obr. 5, 6, 7 a 8, lze rovněž využít alternativně další známé konstrukce čidel průtoku, jako například digitální čidlo pro indikování průtoku průtočným otvorem 14 v tělese 2 využívající soustavu Karmanových vírů vytvořených při obtékání hranolu upraveného kolmo na desku 22 a 23 ve středící rovině tělesa 2. Jiné provedení digitálního čidla průtoku průtočným otvorem 14 v tělese 2 vykonává funkci tekutinového oscilátoru tím, že tekutina protéká difuzorovým kanálem pravoúhlého průřezu upraveným pro bistabilní řízenou paměťovou funkci.

Uvedená řešení odstraňují nevýhody škrtících čidel typu clona, dýza ajejich modifikací. Dále umožňuje měření průtoků v kanálech kruhového i nekruhového průřezu. Konstrukce zařízení je

-4CZ 11576 Ul přehledná a technologické nároky na jejich výrobu jsou nízké. Zařízení umožňuje měření průtoků v obou směrech proudění tekutiny potrubím.

Průmyslová využitelnost

Zařízení pro měření průtoku a množství plynů nebo kapalin podle tohoto technického řešení nalezne uplatnění zejména v plynárenském, chemickém a potravinářském průmyslu, energetice, zdravotnictví, vzduchotechnice, dopravě a podobně.

Claims (5)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Zařízení pro měření průtoku a množství plynů nebo kapalin, sestávající z potrubí a v něm umístěného tělesa, vyznačující se tím, že těleso (2) je symetricky uspořádáno podle tří ortogonálních rovin a je pevně upraveno souose v geometricky podobném potrubí (1) kruhového nebo nekruhového průřezu, přičemž těleso (2) je sestavené ze tří částí vytvořených přímkovými plochami, jejichž přímky střední a okrajových ploch částí tělesa (2) tvoří hrany.
2. 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že těleso (2) v potrubí (1) je opatřené otvory (7, 8) ve středu náporové aúplavové stěny tělesa (2) a dalšími otvory (10) na povrchu tělesa (2) v rovině symetrie tělesa (2) pro přenos signálů o průtoku plynů a/nebo kapalin pro oba směry (3, 4) pohybu tekutiny v potrubí (1).
3. 3. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že těleso (2) je opatřené průtočným otvorem (14) pro měření parciálního průtoku (13) vytvořeného větvením z celkového průtoku (15) potrubí (1).
4. 4. Zařízení podle nároku 3, vyznačující se tím, že do průtočného otvoru (14) v tělese (2) je zabudováno čidlo průtoku vytvořené z desek (16) upravených vedle sebe a oddělených na protilehlých okrajích distančními díly (17) opatřenými pomocnými otvory (18) pro přenos statických tlaků tekutiny z každého kanálu soustavy štěrbin alespoň ve dvou rovinách (20) kolmých na směr proudění a přenášených dále do odpovídajícího sběrného kanálu (21).
5. 5. Zařízení podle nároku 3, vyznačující se tím, že v průtočném otvoru (14) v tělese (2) je vytvořena komora (24) s vtokovým otvorem (28) a výtokovým otvorem (29), přičemž blíže k výtokovému otvoru (29) je umístěna kolmo na směr proudění volně otočná deska (30) s dvěma zarážkami (31, 32) a bezdotykový převodník (33) pohybu otočné desky (30).