RU2029240C1

RU2029240C1 - Turbine flowmeter

Info

Publication number: RU2029240C1
Authority: RU
Inventors: В.А. Теплицкий; А.А. Бордюговский; Т.В. Иссык
Original assignee: Теплицкий Валерий Аркадьевич; Бордюговский Андрей Анатольевич
Priority date: 1991-06-25
Filing date: 1991-06-25
Publication date: 1995-02-20

Abstract

FIELD: oil and chemical industries. SUBSTANCE: turbulence generator built up of two coaxially arranged flexible spiral members is placed at turbine inlet; first member is secured via first turn on cowling built integral with channel axis and other member is fixed through first turn on channel wall. EFFECT: improved design. 2 dwg

Description

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения расходов жидкостей и газов в нефтяной, химической промышленности, энергетике. The invention relates to instrumentation and can be used to measure the flow of liquids and gases in the oil, chemical industry, energy.

Известен датчик турбинного расходомера, содержащий корпус с входным и выходным струенаправляющими аппаратами, первый из которых выполнен в виде сопла, снабженного шнеком, первичный тахометрический преобразователь расхода в виде тангенциальной крыльчатки, размещенной в корпусе, и узел съема сигнала [1]. Благодаря турбулизации потока на нижнем пределе измерений (при прохождении его через шнек) расширяется диапазон измерений и повышается точность измерения расхода. Расширение диапазона измерений на нижнем пределе измерений может достигать 20%, при этом стабильность показаний прибора в диапазоне малых расходов значительно возрастает. Однако шнек вызывает лишь пассивную турбулизацию потока, зависящую лишь от его геометрии. A known turbine flowmeter sensor, comprising a housing with input and output flow control devices, the first of which is made in the form of a nozzle equipped with a screw, a primary tachometric flow converter in the form of a tangential impeller placed in the housing, and a signal pickup unit [1]. Due to the turbulization of the flow at the lower limit of measurements (when it passes through the auger), the measurement range is expanded and the accuracy of flow measurement is increased. The extension of the measurement range at the lower limit of measurements can reach 20%, while the stability of the instrument readings in the low flow range increases significantly. However, the auger causes only passive turbulization of the flow, depending only on its geometry.

Известен также турбинный расходомер [2], содержащий корпус с калиброванным каналом для контролируемой среды, чувствительный элемент в виде тангенциальной турбинки, узел съема сигнала и турбулизирующий элемент, выполненный в виде конической упругой спирали, максимальный виток которой закреплен на входе в калиброванный канал по его периметру, а сужающаяся часть ориентирована в направлении потока среды, который является наиболее близким по своей технической сути к предложению и принят за прототип. Also known is a turbine flowmeter [2], comprising a housing with a calibrated channel for a controlled medium, a sensing element in the form of a tangential turbine, a signal pickup unit and a turbulizing element made in the form of a conical elastic spiral, the maximum turn of which is fixed at the entrance to the calibrated channel along its perimeter , and the tapering part is oriented in the direction of the medium flow, which is the closest in technical essence to the proposal and is taken as a prototype.

Недостатком известного турбинного расходомера является то, что он может работать в измеряемой среде, которая содержит твердые включения, превышающие по своим размерам зазоры, образованные витками конической упругой спирали в статическом положении. При превышении твердыми выключениями указанных размеров упругая спираль служит ловушкой и накопителем твердых включений, так как под воздействием потока деформируются только ее витки с максимальным диаметром. Витки меньшего диаметра образуют карман накопитель твердых включений, при этом происходит резкое повышение сопротивления гидравлического тракта. Это объясняется тем, что под воздействием скоростного напора контролируемой среды упругая коническая спираль, изготовленная из проволоки постоянного диаметра, будет деформироваться только за счет витков с максимальным диаметром, имеющих меньшую жесткость. Сужающаяся часть спирали практически деформироваться не будет ввиду меньшего диаметра витков и соответственно гораздо большей их жесткости. Таким образом, коническая часть известной упругой спирали будет карманом-накопителем твердых частиц, которые самопроизвольно удаляться не могут ввиду практического постоянства зазоров между витками кармана. При отсутствии механических включений, ввиду малой степени деформации спирали, мало изменяются и ее геометрические размеры, что вызывает дополнительные гидравлические потери и в квадратичной зоне сопротивления, т.е. там, где ее присутствие излишне, поскольку поток уже является турбулентным. Кроме того, поскольку поток измеряемой среды приобретает на спирали некоторое вращательное движение, то в случае использования турбулизатора в турбинном расходомере аксиального типа происходит искажение его частотной характеристики и требуется дополнительная тарировка расходомера после снабжения его турбулизатором потока. A disadvantage of the known turbine flowmeter is that it can operate in a measured medium, which contains solid inclusions exceeding in size the gaps formed by coils of a conical elastic spiral in a static position. When solid switches exceed the indicated dimensions, the elastic spiral serves as a trap and accumulator of solid inclusions, since only its coils with a maximum diameter are deformed under the influence of the flow. Coils of a smaller diameter form a pocket of solid inclusions, while there is a sharp increase in the resistance of the hydraulic tract. This is due to the fact that under the influence of the velocity pressure of the controlled medium, an elastic conical spiral made of a wire of constant diameter will be deformed only due to turns with a maximum diameter having less rigidity. The tapering part of the spiral will not practically deform due to the smaller diameter of the turns and, accordingly, their much greater rigidity. Thus, the conical part of the known elastic spiral will be a storage pocket of solid particles that cannot be removed spontaneously due to the practical constancy of the gaps between the turns of the pocket. In the absence of mechanical inclusions, due to the small degree of deformation of the spiral, its geometrical dimensions do not change much, which causes additional hydraulic losses in the quadratic resistance zone, i.e. where its presence is unnecessary, since the flow is already turbulent. In addition, since the flow of the measured medium acquires some rotational motion on a spiral, in the case of using a turbulator in an axial-type turbine flowmeter, its frequency response is distorted and additional calibration of the flow meter is required after supplying it with a flow turbulator.

Целью изобретения является расширение сферы использования, уменьшение гидравлических потерь и упрощение обслуживания. The aim of the invention is to expand the scope of use, reduce hydraulic losses and simplify maintenance.

Цель достигается благодаря тому, что турбинный расходомер, содержащий корпус с калиброванным каналом для контролируемой среды, турбинку, размещенную в корпусе с возможностью вращения, узел съема сигнала, вторичную измерительную аппаратуру и турбулизатор потока в виде упругой конической спирали, размещенной в калиброванном канале перед турбинкой, турбулизатор потока состоит по крайней из двух соосных упругих конусообразных спиралей с противоположной навивкой, размещенных концентрично, которые выполнены в виде усеченных конусов, внешний из которых закреплен к внутренней поверхности калиброванного канала за максимальный виток, а внутренний закреплен за минимальный виток на оси калиброванного канала, причем внешняя спираль ориентирована наибольшим основанием, а внутренняя ориентирована меньшим основанием навстречу потоку и образуют своими последними свободными витками кольцевой зазор. The goal is achieved due to the fact that a turbine flowmeter comprising a housing with a calibrated channel for a controlled environment, a turbine placed rotatably in the housing, a signal pickup unit, secondary measuring equipment and a flow turbulator in the form of an elastic conical spiral placed in a calibrated channel in front of the turbine, the flow turbulator consists of at least two coaxial elastic conical spirals with opposite windings arranged concentrically, which are made in the form of truncated cones, external s of which is fixed to the inner surface of the calibrated channel for maximum coil and the inner coil is fixed to the minimum on the calibrated channel axis, wherein the outer helix is oriented largest base, and the internal smaller base oriented towards the flow and form their latest free annular gap windings.

Сопоставительный анализ предложенного турбинного расходомера с прототипом показывает, что он отличается тем, что турбулизатор потока состоит по крайней мере из двух соосных упругих конусообразных спиралей с противоположной навивкой, размещенных концентрично, которые выполнены в виде усеченных конусов, внешний из которых закреплен к внутренней поверхности калиброванного канала за максимальный виток, а внутренний закреплен за минимальный виток на оси калиброванного канала, причем внешняя спираль ориентирована наибольшим основанием, а внутренняя ориентирована меньшим основанием навстречу потоку и образуют своими последними свободными витками кольцевой зазор. Comparative analysis of the proposed turbine flowmeter with the prototype shows that it differs in that the flow turbulator consists of at least two coaxial elastic conical spirals with opposite windings arranged concentrically, which are made in the form of truncated cones, the outer of which is fixed to the inner surface of the calibrated channel for the maximum coil, and the internal one is fixed for the minimum coil on the axis of the calibrated channel, and the external spiral is oriented with the largest base, and the inner one is oriented with a smaller base towards the flow and form an annular gap with their last free turns.

На основании вышеизложенного можно заключить, что предложенный тахометрический расходомер обладает "новизной". Другие аналогичные технические решения в данной отрасли техники не имеют сходных признаков, отличающих предложенный расходомер от прототипа. На основании вышеизложенного можно сделать вывод о соответствии предложения критерию "существенные отличия". Based on the foregoing, we can conclude that the proposed tachometric flow meter has a "novelty." Other similar technical solutions in this industry do not have similar features that distinguish the proposed flowmeter from the prototype. Based on the foregoing, we can conclude that the proposal meets the criterion of "significant differences".

На фиг.1 и 2 схематически изображен предложенный турбинный расходомер. 1 and 2 schematically depict the proposed turbine flowmeter.

Турбинный расходомер содержит корпус 1 с калиброванным каналом 2 для контролируемой среды, турбинку 3, узел 4 съема сигнала, вторичную измерительную аппаратуру 5 и турбулизатор потока в виде упругой конической спирали 6, размещенной в калиброванном канале 2, а также второй упругой конусообразной спирали 7, размещенной концентрично и соосно первой спирали 6, но имеющей обратный шаг навивки. Спираль 7 выполнена в виде усеченного конуса, закрепленного к внутренней поверхности калиброванного канала 2 за максимальный виток. Спираль 6 выполнена в виде усеченного конуса, закрепленного за минимальный виток к поверхности обтекателя 8 турбинки 3 на оси калиброванного канала 2. Спираль 7 ориентирована наибольшим основанием навстречу потоку. Спираль 6 ориентирована вершиной навстречу потоку. Спирали 6, 7 своими свободными последними витками образуют кольцевой зазор (см. фиг.2) и могут быть изготовлены из упругой ленты, ширина которой увеличивается от вершины к юбке конуса. Ребра ленты могут быть снабжены заостренными кромками и ориентированы по потоку. На витках спиралей, имеющих значительную ширину, могут быть выполнены перфорированные отверстия 9. Крепление спиралей 6, 7 может быть осуществлено с помощью потайных шурупов и канавок на поверхности калиброванного канала 2 и поверхности обтекателя 8 турбинки 3. The turbine flowmeter comprises a housing 1 with a calibrated channel 2 for a controlled environment, a turbine 3, a signal pickup unit 4, secondary measuring equipment 5 and a flow turbulator in the form of an elastic conical spiral 6 located in a calibrated channel 2, as well as a second elastic conical spiral 7 located concentrically and coaxially with the first spiral 6, but having a reverse winding pitch. The spiral 7 is made in the form of a truncated cone, fixed to the inner surface of the calibrated channel 2 for the maximum turn. The spiral 6 is made in the form of a truncated cone, fixed to the minimum turn to the surface of the fairing 8 of the turbine 3 on the axis of the calibrated channel 2. The spiral 7 is oriented with the largest base towards the flow. Spiral 6 is oriented with the apex towards the flow. Spirals 6, 7 with their free last turns form an annular gap (see Fig. 2) and can be made of an elastic tape, the width of which increases from the top to the skirt of the cone. Ribs of the tape can be provided with pointed edges and are oriented downstream. Perforated holes 9 can be made on coils of spirals having a considerable width. Fastening of the coils 6, 7 can be carried out using countersunk screws and grooves on the surface of the calibrated channel 2 and the surface of the fairing 8 of the turbine 3.

Устройство работает следующим образом. Поток контролируемой среды проходит через спирали 6 и 7 турбулизатора, при этом, если режим течения был ламинарным, то в датчике расходомера и в корпусе 1 он становится турбулентным, что вызывает расширение нижнего предела измерений в сторону малых расходов до 20%. Благодаря тому, что спирали 6 и 7 имеют обратный шаг навивки, поток приобретает два встречных вращательных движения, которые сталкиваются в зоне кольцевого зазора последних витков спиралей 6, 7, что, во-первых, вызывает дополнительную турбулизацию потока и, во-вторых, исключает его одностороннее закручивание. Последнее исключает дополнительную подкрутку (или торможение) вращающейся турбинки 3 и искажение первоначальной тарировочной зависимости расходомера. Таким образом, исключается дополнительная тарировка расходомера после оборудования расходомера турбулизатором потока, что значительно упрощает его обслуживание. The device operates as follows. The flow of the controlled medium passes through the spirals 6 and 7 of the turbulator; in this case, if the flow regime was laminar, then in the flowmeter sensor and in case 1 it becomes turbulent, which causes the expansion of the lower limit of measurements towards low flow rates up to 20%. Due to the fact that the spirals 6 and 7 have a reverse winding pitch, the flow acquires two counter-rotational movements that collide in the zone of the annular gap of the last turns of the spirals 6, 7, which, firstly, causes additional flow turbulence and, secondly, eliminates its one-way twisting. The latter eliminates the additional twist (or braking) of the rotating turbine 3 and the distortion of the initial calibration dependence of the flow meter. This eliminates the additional calibration of the flow meter after equipping the flowmeter with a flow turbulator, which greatly simplifies its maintenance.

По мере повышения скорости течения контролируемой среды скоростной напор воздействует на витки упругих спиралей 6 и 7 и вызывает их равномерное растяжение. Тем самым уменьшается сопротивление турбулизатора на режиме квадратичного сопротивления контролируемой среды, когда его присутствие становится уже излишним. As the flow rate of the controlled medium increases, the velocity head acts on the turns of the elastic spirals 6 and 7 and causes their uniform tension. This reduces the resistance of the turbulator in the quadratic resistance mode of the controlled medium when its presence becomes already redundant.

В случае наличия в измеряемой среде инородных включений и их попадания в турбулизатор происходит растяжение спиралей 6, 7 и их смещение в радиальном направлении. Это ведет к одностороннему увеличению части кольцевого зазора и автоматическому удалению включений. Поскольку радиальное смещение спиралей 6 и 7 не требует больших усилий, значительно улучшается очистка турбулизатора от инородных включений, которые теперь могут быть и более значительных размеров. Тем самым исключается увеличение гидравлического сопротивления расходомера. In the presence of foreign inclusions in the measured medium and their ingress into the turbulator, the spirals 6, 7 are stretched and radially displaced. This leads to a one-sided increase in part of the annular gap and automatic removal of inclusions. Since the radial displacement of spirals 6 and 7 does not require much effort, the cleaning of the turbulator from foreign inclusions, which can now be of larger sizes, is significantly improved. This eliminates the increase in hydraulic resistance of the flow meter.

Кроме того, благодаря наличию двух упругих спиралей, закрепленных консольно и имеющих противоположный шаг навивки, обеспечиваются их радиальные колебания и соударение потоков, что дает интенсификацию турбулизации потока и позволяет выполнить спирали 6 и 7 с более значительными межвитковыми расстояниями. Тем самым уменьшаются гидравлические потери и дополнительно улучшается прохождение механических включений через спирали 6, 7 турбулизатора потока. In addition, due to the presence of two elastic spirals fixed cantilever and having the opposite winding pitch, their radial vibrations and collisions of the flows are ensured, which intensifies the flow turbulization and allows spirals 6 and 7 to be made with more significant inter-turn distances. Thereby, hydraulic losses are reduced and the passage of mechanical inclusions through spirals 6, 7 of the flow turbulator is further improved.

В остальном работа расходомера и его узлов принципиально не меняется, а именно сигнал, воспринимаемый турбинкой 3 и пропорциональный расходу контролируемой среды, фиксируется узлом 4 съема сигнала, который может быть выполнен в виде катушки, регистрирующей скорости вращения лопастей турбинки 3, которые имеют ферромагнитные вставки или выполнены из магнитомягкого материала. Сигнал с узла 4 поступает во вторичную измерительную аппаратуру 5, где имеется счетчик суммарного количества контролируемой среды и индикатор мгновенного значения расхода. Ввиду того, что расходомер при предложенном турбулизаторе потока имеет более широкий диапазон измерения (до 20% в сторону малых расходов), турбинка 3 и усилитель 5 измерительной аппаратуры должны быть настроены на прием сигнала меньшей частоты, а индикатор мгновенного значения расхода вторичной аппаратуры должен иметь расширенный нижний предел измерений (на 20-30%). Otherwise, the operation of the flowmeter and its components does not fundamentally change, namely, the signal perceived by the turbine 3 and proportional to the flow rate of the controlled medium is fixed by the signal pick-up unit 4, which can be made in the form of a coil recording the rotational speeds of the blades of the turbine 3, which have ferromagnetic inserts or made of soft magnetic material. The signal from the node 4 enters the secondary measuring equipment 5, where there is a counter for the total amount of the medium being monitored and an indicator of the instantaneous flow value. Due to the fact that the flowmeter with the proposed flow turbulator has a wider measuring range (up to 20% towards low flow rates), turbine 3 and amplifier 5 of the measuring equipment should be configured to receive a lower frequency signal, and the indicator of the instantaneous value of the secondary equipment flow should have an extended lower limit of measurements (by 20-30%).

Claims

A TURBINE FLOW METER, comprising a housing in which a calibrated channel for a controlled medium is made, a turbulator comprising a first elastic spiral element, the first turn of which is fixed in the housing, and the last turn placed freely in the calibrated channel, a signal pick-up unit, secondary measuring equipment and a turbine installed rotatable on the shaft, characterized in that, in order to expand the measurement range, a second elastic spiral element and a cowl are introduced into it, while the first and second elastic the spiral elements are formed with the same length and are installed concentrically with each other, the fairing is aligned with the center of the cross section of the calibrated channel, the first turn of the second elastic spiral element is mounted on the fairing, its last turn is installed freely with the formation of a gap between it and the last turn of the first elastic spiral element, and the winding directions of the first and second elastic spiral elements are opposite.