RU157414U1 - Расходомер струйный автогенераторный - Google Patents

Abstract

1. Расходомер струйный автогенераторный, содержащий струйный автогенератор, проточная часть которого включает входное сопло, два сопла управления, расположенные на выходе входного сопла, рабочую камеру, образованную расходящимися боковыми стенками, центральный разделитель-дефлектор, расположенный на выходе рабочей камеры, два приемных канала, расположенные по обе стороны центрального разделителя-дефлектора, два канала обратной связи, соединяющие приемные каналы с соплами управления, сливные каналы, соединенные с выходным каналом, а также средства преобразования пульсаций струи в электрический сигнал, пропорциональный частоте пульсаций струи, отличающийся тем, что струйный автогенератор дополнительно содержит два боковых разделителя-дефлектора, расположенных за центральным разделителем-дефлектором симметрично продольной оси автогенератора с образованием центрального сливного канала, соединяющего проточную часть за центральным распределителем-дефлектором с выходным каналом, и двух боковых сливных каналов, соединяющих приемные каналы с выходным каналом.2. Расходомер по п. 1, отличающийся тем, что входное сопло, сопла управления, рабочая камера, приемные каналы, каналы обратной связи, сливные каналы и выходной канал расходомера выполнены в одной плоскости.

Description

Полезная модель относится к области измерительной техники, в частности к струйным автогенераторным устройствам для измерения расхода текучих сред, и может быть использовано для измерения расходов жидких или газовых сред в различных отраслях промышленности и в коммунальном хозяйстве.

В измерительной технике широкое распространение нашли расходомеры текучих сред с использованием струйных автогенераторов с обратной гидродинамической связью.

Примером таких расходомеров является струйный измеритель потока, известный по патенту США №3902367, МПК G01F 1/20, дата публикации 02.09.1975,

Струйный измеритель потока содержит струйный автогенератор со средствами измерения частоты колебаний струи.

Струйный автогенератор включает входное сопло, два сопла управления, расположенные на выходе входного сопла, рабочую камеру, образованную расходящимися боковыми стенками, центральный разделитель, расположенный на выходе рабочей камеры, два приемных канала, расположенные по обе стороны центрального разделителя, два канала обратной связи, соединяющие приемные каналы с соплами управления, сливные каналы.

Общими признаками аналога и заявляемого решения являются: расходомер струйный автогенераторный, содержащий струйный автогенератор, проточная часть которого включает сопло питания, два сопла управления, расположенные на выходе сопла питания, рабочую камеру, образованную расходящимися боковыми стенками, центральный разделитель, расположенный на выходе рабочей камеры, два приемных канала, два канала обратной связи, соединяющие приемные каналы с соплами управления, сливные каналы.

В указанном решении течение в приемных каналах и каналах обратной связи реализуется за счет поджатия потока сливным каналом и, соответственно, с повышением давления в приемном канале, что ведет к увеличению гидравлического сопротивления расходомера. Кроме того, устойчивые колебания возможны только при скоростях, обеспечивающих прилипание струи к боковой стенке (эффект Коанда), что соответствует числу Рейнольдса Re≥2000, Это ограничивает нижний предел чувствительности и сужает динамический диапазон измерений при приемлемом гидравлическом сопротивлении.

Последние разработки указанных расходомеров направлены на расширение динамического диапазона измерений, снижение нижнего порога измерений, повышение точности измерений и уменьшение гидравлического сопротивления струйных автогенераторов.

Так, известен струйный датчик расхода по патенту Российской Федерации на полезную модель №43206, МПК G01F 1/00, дата подачи заявки 23.07.2004, содержащий струйный генератор колебаний, который включает сопло питания, рабочую камеру, центральный разделитель-дефлектор, два сливных канала, расположенные по разные стороны рабочей камеры и соединенные с выходным каналом, два сопла управления, расположенные на выходе сопла питания симметрично соплу питания, два приемных канала и два канала обратной связи, соединяющие приемные каналы с соплами управления, а также пневмоэлектропреобразователь, подключенный к двум выходам генератора колебаний. Проходное сечение сопла питания выполнено прямоугольной формы, ориентированное перпендикулярно направлению потока текучей среды, при этом соотношение размеров ширины, глубины сопла питания и длины рабочей камеры удовлетворяют выражениям: 0,5<h/bn<2,0, 5,0<lэ/bn<20,0, где bn - ширина сопла питания, мм, n - глубина сопла питания, мм, lэ - длина рабочей камеры, мм.

Измеряемая среда через сопло питания в виде струи истекает в рабочую камеру. Под воздействием перепада давления, возникающего в результате эффекта Коанда, и эффекта обратной связи, струя примыкает к одной из стенок, течет вдоль нее и попадает в приемный канал. Давление в указанном приемном канале увеличивается по сравнению с давлением в другом приемном канале. В результате возникает волна повышенного давления, которая, распространяясь со скоростью звука по каналу обратной связи, достигает сопла управления и вызывает переброс струи к другой стенке рабочей камеры. Спустя время, равное времени срабатывания элемента, струя достигает другого приемного канала, возникает волна повышенного давления, которая, распространяясь со скоростью звука по каналу обратной связи, достигает другого сопла управления и вызывает переброс струи в направлении противоположной стенки рабочей камеры. При этом часть расхода, не попавшая в приемные каналы, через сливные каналы поступает в канал сброса.

В результате устанавливаются устойчивые колебания струи с частотой пропорциональной объемному расходу измеряемой среды. Благодаря выбранным соотношениям размеров, струйный датчик расхода обладает более низким порогом чувствительности, что позволяет измерять малые расходы газа при погрешности измерений не выше 1% в диапазоне измерений 10:1.

Общими признаками аналога и заявляемого решения являются: расходомер струйный автогенераторный, содержащий струйный автогенератор, проточная часть которого включает входное сопло, два сопла управления, расположенные на выходе входного сопла, рабочую камеру, образованную расходящимися боковыми стенками, центральный разделитель-дефлектор, расположенный на выходе рабочей камеры, два приемных канала, расположенные по обе стороны центрального разделителя, два канала обратной связи, соединяющие приемные каналы с соплами управления, сливные каналы, соединенные с выходным каналом, а также средства преобразования пульсаций струи в электрический сигнал, пропорциональный частоте пульсаций струи.

Данное решение характеризуется повышенным гидравлическим сопротивлением из-за расположения сливных каналов в плоскости перпендикулярной плоскости течения в проточной части. Это приводит к неоднократным поворотам струи и потерям давления на них. Автоколебания могут возникать и до проявления эффекта Коанда, то есть при меньших скоростях, только за счет обратной связи, что снижает нижнюю границу измерений. Но повышенное гидравлическое сопротивление приводит к ограничению динамического диапазона - в пределах 10:1.

В качестве прототипа выбран струйный автогенераторный расходомер-счетчик, известный по патенту Российской Федерации на изобретение №2390731, МПК G01F 1/20, F15C 1/22, дата подачи заявки 08.04.2009.

Струйный автогенераторный расходомер-счетчик содержит струйный элемент, преобразователи пульсаций струи в электрический сигнал, соединенные с устройством выделения сигнала, пропорционального частоте пульсаций. Струйный элемент включает сопло питания, рабочую камеру с верхней и нижней стенками, центральный разделитель с вогнутым дефлектором, сопла управления, выполненные за соплом питания, приемные каналы и сливные каналы, выполненные по обе стороны центрального разделителя. Сопла управления соединены каналами обратной связи с приемными каналами. На входе сопла питания по ходу струи выполнено локальное расширение канала с уступом. Угол наклона расширения к оси сопла питания составляет 30-45°, а высота уступа выполнена не меньше половины ширины сопла питания.

Струйный автогенераторный расходомер-счетчик работает следующим образом.

Измеряемая текучая среда через сопло питания в виде струи истекает в рабочую камеру. Под действием перепада давления и эффекта обратной связи, создаваемой центральным разделителем-дефлектором, струя примыкает к одной из стенок рабочей камеры, например к верхней стенке, течет вдоль нее и попадает в приемный канал, выполненный над разделителем. Давление в указанном приемном канале увеличивается по сравнению с давлением в приемном канале, выполненном под разделителем. В результате возникает волна повышенного давления, которая, распространяясь со скоростью звука по каналу обратной связи, достигает сопла управления и вызывает переброс струи к нижней стенке рабочей камеры. Через некоторое время, равное времени срабатывания элемента, струя, протекая вдоль нижней стенки, достигает приемного канала, выполненного под разделителем. Возникает волна повышенного давления, которая, распространяясь со скоростью звука по каналу обратной связи, достигает другого сопла управления и вызывает переброс струи в направлении верхней стенки. При этом часть расхода, не попавшая в приемные каналы, через сливные каналы поступает на выход струйного элемента.

В результате устанавливаются устойчивые колебания струи с частотой, пропорциональной объемному расходу текучей среды. Эти колебания воспринимаются преобразователями пульсаций. Сигналы с преобразователей пульсаций поступают на устройство выделения сигнала, на выходе которого формируется частотный сигнал, пропорциональный объемному расходу. При этом при прохождении струи через сопло питания часть струи попадает в уступ расширения на входе сопла питания. В расширении возникают завихрения и, благодаря этому, происходит турбулизация струи. Вследствие турбулизации притяжение струи к стенке возникает при скорости течения в два раза меньших, чем при прохождении через сопло, не имеющее расширения с уступом.

Общими признаками прототипа и заявляемого решения являются: расходомер струйный автогенераторный, содержащий струйный элемент, проточная часть которого включает сопло питания, два сопла управления, расположенные на выходе сопла питания, рабочую камеру, центральный разделитель-дефлектор, расположенный на выходе рабочей камеры, два приемных канала, расположенных по обе стороны центрального разделителя-дефлектора, два канала обратной связи, соединяющие приемные каналы с соплами управления, сливные каналы, соединенные с выходным каналом распределителя, а также средства преобразования пульсаций струи в электрический сигнал, пропорциональный частоте пульсаций струи.

Снижение нижней границы скоростей, вызывающих автоколебания, в прототипе обеспечивается за счет искусственной турбулизации струи в сопле питания, в результате чего проявление эффекта Коанда происходит при меньших числах Ре струи. Но увеличение динамического диапазона измерений в таком решении ограничено - не более чем в два раза в сравнении с приведенными аналогами, динамический диапазон находится в пределах 20:1. Расположение элементов проточной части в различных плоскостях повышает гидравлическое сопротивление в результате потерь на повороты в сливных каналах.

В основу полезной модели поставлена задача усовершенствования расходомера струйного автогенераторного, в котором за счет конструктивных особенностей обеспечивается расширение динамического диапазона измерений с уменьшением нижнего предела измерений и снижение гидравлического сопротивления струйного автогенератора.

Поставленная задача решается тем, что в расходомере струйном автогенераторном, содержащем струйный автогенератор, проточная часть которого включает сопло питания, два сопла управления, расположенные на выходе сопла питания, рабочую камеру, центральный разделитель-дефлектор, расположенный на выходе рабочей камеры, два приемных канала, расположенных по обе стороны центрального разделителя-дефлектора, два канала обратной связи, соединяющие приемные каналы с соплами управления, сливные каналы, соединенные с выходным каналом расходомера, а также средства преобразования пульсаций струи в электрический сигнал, пропорциональный частоте пульсаций струи, согласно полезной модели струйный автогенератор дополнительно содержит два боковых разделителя-дефлектора, симметрично расположенных за центральным разделителем-дефлектором с образованием центрального сливного канала, соединяющего проточную часть за центральным распределителем-дефлектором с выходным каналом, и двух боковых сливных каналов, соединяющих приемные каналы с выходным каналом.

Указанные признаки в своей совокупности обеспечивают достижение технического результата - расширение динамического диапазона измерений с уменьшением нижнего предела измерений и снижение гидравлического сопротивления струйного автогенератора, то есть являются существенными признаками полезной модели.

Расширение динамического диапазона измерений с уменьшением нижнего предела измерений и снижение гидравлического сопротивления струйного автогенератора достигается за счет формирования течения измеряемой среды с помощью трех разделителей-дефлекторов - центрального и двух боковых. При малых расходах центральный разделитель направляет основную часть струи на боковые разделители и лишь незначительную часть в центральный сливной канал. Боковые разделители направляют попавшую на них часть струи питания в каналы обратной связи и боковые сливные каналы. Увеличение расхода вызывает изменение пропорции распределения струи между боковыми разделителями и центральным сливным каналом в пользу последнего. Таким образом, при малых расходах в генерации участвует почти вся струя питания, а при увеличении расхода только ее часть. Такое решение позволяет получить автоколебания только за счет обратной связи без применения эффекта Коанда и, в результате, существенно снизить нижний предел измерений и расширить динамический диапазон экспериментальных каналов до 80:1 при приемлемых значениях гидродинамического сопротивления.

Целесообразно сопло питания, сопла управления, рабочую камеру, приемные каналы, каналы обратной связи, сливные каналы и выходной канал струйного автогенератора выполнить в одной плоскости. Такое решение исключает потери на повороты в сливных каналах и дополнительно снижает гидравлическое сопротивление струйного автогенератора.

Ниже приводится описание конструкции расходомера струйного автогенераторного и его работы со ссылками на чертеж, на котором показана схема заявляемого расходомера струйного автогенераторного.

Расходомер струйный автогенераторный включает в себя струйный автогенератор и средства преобразования пульсаций струи в электрический сигнал, пропорциональный частоте пульсаций струи.

Струйный автогенератор состоит из корпуса 1, двух направляющих 2, центрального разделителя-дефлектора 3 и двух боковых разделителей-дефлекторов 4. Указанные элементы образуют проточную область струйного автогенератора, состоящую из входного канала 5, конфузора 6, сопла питания 7, двух сопел управления 8, рабочей камеры 9, двух приемных каналов 10, двух каналов обратной связи 11, центрального сливного канала 12, двух боковых сливных каналов 13 и выходного канала 14.

Рабочая камера 9 выполнена в виде диффузора, образованного боковыми стенками 15 направляющих 2, с углом раскрытия 20°- 40°.

Сопла управления 8 размещены противоположно и симметрично на выходе сопла питания 7.

Направляющие 2, боковые разделители-дефлекторы 4, приемные каналы 10, каналы обратной связи 11, боковые сливные каналы 13 размещены симметрично относительно продольной оси 16 струйного автогенератора.

Входной канал 5, конфузор 6, сопло питания 7, центральный разделитель-дефлектор 3, сливной канал центральный 12, выходной канал 14 выполнены вдоль продольной оси 16 струйного автогенератора.

Вся проточная часть струйного автогенератора (входной канал 5, конфузор 6, сопло питания 7, сопла управления 8, рабочая камера 9, приемные каналы 10, каналы обратной связи 11, центральный сливной канал 12, боковые сливные каналы 13 и выходной канал 14) выполнены в одной плоскости.

Средства выделения сигнала, пропорционального частоте пульсаций, и его преобразования включают приемники давления 17, первичные преобразователи давления в электрические сигналы 18, устройство 19 выделения сигнала, пропорционального частоте пульсаций, и преобразования ее в единицы расхода с индикацией показаний расходомера.

Расходомер струйный автогенераторный работает следующим образом. Текучая среда (газ или жидкость) через входной канал 5, конфузор 6 и сопло питания 7 поступает в рабочую камеру 9 в виде плоской расширяющейся симметричной струи. Центральная часть струи взаимодействует с центральным разделителем-дефлектором 3 и направляется им частично на боковые разделители-дефлекторы 4 и частично в центральный сливной канал 12. От боковых разделителей 4 струя направляется в приемные каналы 10, из которых частично направляется в каналы обратной связи 11 и частично в боковые сливные каналы 13. При этом сохраняется равенство давлений в соплах управления 8. Такое осесимметричное течение в рабочей камере 9 (диффузор с большим углом раскрытия) является неустойчивым. При малейшем нарушение симметрии течения, например, при смещении оси струи происходит перераспределение потока на разделителях-дефлекторах 3, 4, попадание в один из каналов обратной связи 11 большего количества текучей среды, повышение давления в одном из управляющих сопел 8 и появлению в нем течения, сообщающего поперечный импульс струе питания, опрокидывающий ее на противоположную стенку 15 рабочей камеры 9. Автогенерация возникает при достижении импульсом струи управления значения, достаточного для отклонения струи питания на половину ширины центрального дефлектора (при числах Рейнольдса по ширине сопла питания Re~220).

В результате устанавливаются устойчивые колебания струи с частотой, пропорциональной объемному расходу текучей среды. Эти колебания воспринимаются приемниками давления 17, сигналы приемников давления 17 передаются на первичные преобразователи давления в электрические сигналы 18 и далее на устройство 19 выделения сигнала, пропорционального частоте пульсаций, и преобразования его в единицы расхода с индикацией показаний расходомера.

Claims (2)

1. Расходомер струйный автогенераторный, содержащий струйный автогенератор, проточная часть которого включает входное сопло, два сопла управления, расположенные на выходе входного сопла, рабочую камеру, образованную расходящимися боковыми стенками, центральный разделитель-дефлектор, расположенный на выходе рабочей камеры, два приемных канала, расположенные по обе стороны центрального разделителя-дефлектора, два канала обратной связи, соединяющие приемные каналы с соплами управления, сливные каналы, соединенные с выходным каналом, а также средства преобразования пульсаций струи в электрический сигнал, пропорциональный частоте пульсаций струи, отличающийся тем, что струйный автогенератор дополнительно содержит два боковых разделителя-дефлектора, расположенных за центральным разделителем-дефлектором симметрично продольной оси автогенератора с образованием центрального сливного канала, соединяющего проточную часть за центральным распределителем-дефлектором с выходным каналом, и двух боковых сливных каналов, соединяющих приемные каналы с выходным каналом.

2. Расходомер по п. 1, отличающийся тем, что входное сопло, сопла управления, рабочая камера, приемные каналы, каналы обратной связи, сливные каналы и выходной канал расходомера выполнены в одной плоскости.

Images