RU207837U1

RU207837U1 - Flow meter probe

Info

Publication number: RU207837U1
Application number: RU2021116103U
Authority: RU
Inventors: Максим Николаевич Карпов; Никита Сергеевич Кузнецов; Александр Олегович Шкловец
Original assignee: Максим Николаевич Карпов
Priority date: 2021-06-02
Filing date: 2021-06-02
Publication date: 2021-11-18

Abstract

Полезная модель относится к средствам измерения расхода и может использоваться в расходометрии жидких и газообразных сред. Зонд для расходомера содержит корпус (9), профиль зонда (6), предназначенный для диаметрального размещения в трубопроводе, имеющий ударную поверхность (15), обращенную вверх по потоку, и неударные поверхности (16) нижние по потоку. Форма профиля зонда D-образная. Профиль зонда имеет каналы высокого (13) и низкого (14) давлений, герметично изолированные друг от друга. Перпендикулярное сечение ударной поверхности зонда (15), расположенной выше по потоку, представляет собой кривую, полученную сопряжением трех окружностей различного радиуса, неударные поверхности (16) профиля зонда, расположенные ниже по потоку, являются плоскими, перпендикулярными задней поверхности (17) профиля зонда (6). Ударная поверхность (15) профиля зонда (6), обращенная вверх по потоку, имеет по меньшей мере одно отверстие (10). Нижние по потоку неударные поверхности (16) имеют по меньшей мере одно отверстие (11). Технический результат заявляемой полезной модели заключается в повышении точности измерений и технологичности изготовления зонда расходомера. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.The utility model relates to flow measurement instruments and can be used in flow measurement of liquid and gaseous media. The probe for the flow meter contains a housing (9), a profile of the probe (6) designed for diametrical placement in a pipeline, having an impact surface (15) facing upstream, and non-impact surfaces (16) downstream. The shape of the profile of the probe is D-shaped. The probe profile has high (13) and low (14) pressure channels, hermetically sealed from each other. The perpendicular section of the impact surface of the probe (15) located upstream is a curve obtained by conjugation of three circles of different radii, the non-impact surfaces (16) of the probe profile, located downstream, are flat, perpendicular to the rear surface (17) of the probe profile ( 6). The impact surface (15) of the profile of the probe (6), facing upstream, has at least one hole (10). Downstream non-impact surfaces (16) have at least one opening (11). The technical result of the claimed utility model is to improve the measurement accuracy and manufacturability of the flow meter probe. 3 C.p. f-ly, 5 dwg

Description

Настоящая полезная модель относится к расходомерам для определения расхода жидкости, газа или пара в трубопроводе, а именно к зонду для расходомера с осредняющей напорной трубкой Пито (ОНТ).This utility model relates to flow meters for determining the flow rate of liquid, gas or steam in a pipeline, namely, to a probe for a flow meter with averaging Pitot pressure tube (ONT).

Из уровня техники известен расходомер с трубкой Пито для измерения перепада давлений (патент US 4154100 опубл. 15.05.1979, G01F 1/46), имеющий зонд, вставляемый в поток текучей среды, протекающей внутри трубопровода, причем зонд включает в себя обращенную вверх по потоку поверхность, о которую ударяется текучая среда, и обращенную вниз по потоку поверхность, содержащую порт, обращенный вниз по потоку, для определения составляющей низкого давления измеряемого перепада давления, отличающийся тем, что включает пару острых кромок, расположенных разнесенными в поперечном направлении на противоположных сторонах зонда между поверхностями, обращенными вверх и вниз по течению, причем поверхность, обращенная вверх по течению, имеет форму, позволяющую разделить поток и направить по существу равные его части вдоль указанных острых кромок, а поверхность, обращенная вниз по течению, имеет форму, позволяющую непрерывно находиться в зоне следа текучей среды, протекающей мимо острых кромок в заданном диапазоне условий потока.A flowmeter with a Pitot tube for measuring a differential pressure is known from the prior art (patent US 4154100 publ. 05/15/1979, G01F 1/46), having a probe inserted into the flow of a fluid flowing inside a pipeline, and the probe includes an upstream facing a surface against which a fluid is impacted and a downstream surface containing a downstream port for determining a low pressure component of a measured pressure drop, characterized in that it includes a pair of sharp edges spaced laterally on opposite sides of the probe between upstream and downstream surfaces, the upstream surface is shaped to split the flow and direct substantially equal portions of it along said sharp edges, and the downstream surface is shaped to allow continuous flow in the area of the trace of the fluid flowing past the sharp edges at a given range of flow conditions.

Согласно вышеупомянутому патенту тело обтекания зонда в различных конфигурациях имеет острые кромки по краям поверхности выше по потоку, что обеспечивает стабильную точку отрыва потока от поверхности в широком диапазоне скоростей потока.According to the aforementioned patent, the flow body around the probe in various configurations has sharp edges at the edges of the upstream surface, which provides a stable separation point from the surface over a wide range of flow velocities.

Недостатком расходомера с трубкой Пито по патенту US 4154100 является низкая точность при высоком уровне сигнала из-за появления, при обтекании зонда данной формы, колебаний дифференциального давления большой амплитуды.The disadvantage of a flow meter with a pitot tube according to US patent 4154100 is low accuracy at a high signal level due to the appearance, when flowing around a probe of this shape, high amplitude differential pressure fluctuations.

Из уровня техники также известна система измерения потока на основе дифференциального давления (патент на изобретение RU №2638916 опубл. 18.12.2017, МПК G01F 1/37, G01F 1/46), содержащая в том числе удлиненный зонд, связанный с датчиком давления, выполненный с возможностью вставки в трубопровод, который переносит поток технологической текучей среды, и имеющий поперечное сечение в форме «Т» с расположенной выше по течению частью на верху «Т» и в целом перпендикулярно потоку и с задней частью, которая проходит в направлении в целом параллельно потоку; расположенную выше по течению камеру повышенного давления в расположенной выше по течению части зонда, имеющую по меньшей мере одно расположенное выше по течению отверстие, связанное с датчиком давления, для приложения, тем самым, давления сверху по течению к датчику давления; стабилизатор завихрений, расположенный вблизи удлиненного зонда и в потоке технологической текучей среды, выполненный с возможностью стабилизации завихрений вблизи удлиненного зонда, и измерительную схему, связанную с датчиком дифференциального давления.A flow measurement system based on differential pressure is also known from the prior art (patent for invention RU No. 2638916 publ. 18.12.2017, IPC G01F 1/37, G01F 1/46), including an elongated probe connected to a pressure sensor, made can be inserted into a conduit that carries a process fluid flow and has a "T" -shaped cross-section with an upstream portion at the top of a "T" and generally perpendicular to the flow and with a rear portion that runs generally parallel stream; an upstream plenum chamber in an upstream portion of the probe having at least one upstream opening associated with the pressure sensor to thereby apply upstream pressure to the pressure sensor; a vortex stabilizer located adjacent to the elongated probe and in the process fluid stream configured to stabilize vortices in the vicinity of the elongated probe; and a measurement circuit associated with a differential pressure sensor.

Вышеописанная система измерения потока на основе дифференциального давления является по факту расходомером для измерения расхода технологических текучих сред - жидкостей, паров, газов. Недостатком системы измерения потока на основе дифференциального давления является усложненная конструкция зонда за счет применения многочисленных стабилизаторов завихрений в виде плоских пластин, применяемых для стабилизации колебаний вблизи зонда и повышения точности измерения потока.The above-described differential pressure-based flow measurement system is in fact a flow meter for measuring the flow rate of process fluids - liquids, vapors, gases. The disadvantage of a flow measurement system based on differential pressure is a complicated design of the probe due to the use of numerous vortex stabilizers in the form of flat plates, which are used to stabilize oscillations near the probe and increase the accuracy of flow measurement.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по достигаемому техническому результату и технической сущности (прототипом) является изобретение «Зонд для измерения перепада давления с понижением шума» (патент US 6470755 G01L 7/00, опубликован 29.10.2002), приспособленный для диаметрального размещения в трубопроводе для жидкости, содержащий корпус, имеющий ударную поверхность, обращенную вверх по потоку, и, по меньшей мере, одну нижнюю по потоку неударную поверхность, причем обращенная вверх по потоку ударная поверхность является по существу плоской и адаптированной для расположения перпендикулярно направлению потока текучей среды в канале, содержащий по меньшей мере, одну камеру для передачи давления текучей среды внутри корпуса и по меньшей мере одно отверстие в плоской обращенной вверх по потоку ударной поверхности корпуса, устанавливая гидравлическое сообщение между текучей средой в канале и по меньшей мере, одну камеру статического давления для передачи давления, в результате чего плоская обращенная вверх по потоку ударная поверхность корпуса зонда создает относительно неподвижную зону торможения перед зондом.The closest to the proposed technical solution in terms of the achieved technical result and the technical essence (prototype) is the invention "Probe for measuring pressure drop with noise reduction" (US patent 6470755 G01L 7/00, published on October 29, 2002), adapted for diametrical placement in the pipeline for a fluid comprising a body having an upstream facing impact surface and at least one downstream impact surface, wherein the upstream facing impact surface is substantially flat and adapted to be positioned perpendicular to the direction of fluid flow in the channel, comprising at least one chamber for transmitting pressure of a fluid within the body and at least one opening in a flat, upstream impact surface of the body, establishing hydraulic communication between the fluid in the channel and at least one plenum chamber for transmitting pressure , as a result This means that the flat, upstream impact surface of the probe body creates a relatively stationary stagnation zone in front of the probe.

Недостатком данного зонда по патенту US 6470755 является наличие колебаний дифференциального давления, обусловленных вихрями и вторичными течениями, оказывающих влияние на конечную точность измеряемого перепада давления.The disadvantage of this probe according to US Pat. No. 6,470,755 is the presence of differential pressure fluctuations caused by vortices and secondary flows, which affect the final accuracy of the measured pressure drop.

Технический результат настоящей полезной модели заключается в повышении точности измерений при сохранении уровня перепада дифференциального давления за счет применения новой формы профиля зонда.The technical result of this utility model is to improve the measurement accuracy while maintaining the level of differential pressure drop due to the use of a new shape of the probe profile.

Технический результат полезной модели достигается за счет того, что зонд для расходомера, содержащий корпус 9, профиль зонда 6, предназначенный для диаметрального размещения в трубопроводе, имеющий ударную поверхность 15, обращенную вверх по потоку, и неударные поверхности 16 нижние по потоку, отличающийся выполнением D-образной формой профиля зонда, имеющего каналы высокого 13 и низкого 14 давлений, герметично изолированные друг от друга; причем перпендикулярное сечение ударной поверхности зонда 15, расположенной выше по потоку, представляет собой кривую, полученную сопряжением трех окружностей различного радиуса, неударные поверхности 16 профиля зонда, расположенные ниже по потоку, являются плоскими, перпендикулярными задней поверхности 17 профиля зонда 6; при этом ударная поверхность 15 профиля зонда 6, обращенная вверх по потоку, имеет по меньшей мере одно отверстие 10; нижние по потоку неударные поверхности 16 имеют по меньшей мере одно отверстие 11.The technical result of the utility model is achieved due to the fact that the probe for the flow meter containing the housing 9, the profile of the probe 6, designed for diametric placement in the pipeline, having the impact surface 15 facing upstream, and the non-impact surface 16 downstream, characterized by the design D -shaped profile of the probe having channels of high 13 and low 14 pressures, hermetically sealed from each other; moreover, the perpendicular section of the impact surface of the probe 15 located upstream is a curve obtained by conjugation of three circles of different radii, the non-impact surfaces 16 of the probe profile located downstream are flat, perpendicular to the rear surface 17 of the profile of the probe 6; the impact surface 15 of the profile of the probe 6, facing upstream, has at least one hole 10; the downstream non-impact surfaces 16 have at least one opening 11.

Кроме того, зонд для расходомера характеризуется тем, что отверстия на неударных поверхностях 16 могут занимать любое положение на неударных поверхностях 16 вдоль направления движения текучей среды напротив друг друга.In addition, the probe for the flow meter is characterized in that the holes on the striking surfaces 16 can take any position on the striking surfaces 16 along the direction of movement of the fluid opposite each other.

Кроме того, зонд для расходомера характеризуется тем, что расстояние В между неударными поверхностями 16 может быть любым, меньше ширины Η ударной поверхности 15.In addition, the probe for the flow meter is characterized in that the distance B between the striking surfaces 16 can be any, less than the width Η of the striking surface 15.

Кроме того, зонд для расходомера характеризуется тем, что в канале низкого давления 14 находится термопреобразователь сопротивления 5. Заявляемая полезная модель иллюстрируется чертежами.In addition, the probe for the flow meter is characterized by the fact that a resistance thermocouple 5 is located in the low pressure channel 14. The claimed utility model is illustrated by the drawings.

Фиг. 1 - общий вид зонда для расходомера (продольный разрез).FIG. 1 is a general view of a probe for a flow meter (longitudinal section).

Фиг. 2 - общий вид расходомера с зондом.FIG. 2 is a general view of a flow meter with a probe.

Фиг. 3 - разрез А-А профиля зонда для расходомера.FIG. 3 - section AA of the probe profile for the flow meter.

Фиг. 4 - общий вид D-образного профиля зонда для расходомера.FIG. 4 is a general view of the D-shaped profile of the flow meter probe.

Фиг. 5 - колебания показаний дифференциального давления по результатам расчета в программном комплексе конечно-элементного анализа ANSYS Fluent.FIG. 5 - fluctuations in differential pressure readings based on the calculation results in the ANSYS Fluent finite element analysis software.

Заявляемый зонд для расходомера, представленный на фиг. 1, состоит из D-образного профиля зонда 6, разделителя 1, камеры высокого давления 8, преобразователя термосопротивления 5, корпуса 9, крепежного элемента 4 и заглушки 12. Оптимальность данной D-образной формы профиля зонда определена проведенной параметрической многокритериальной оптимизацией в конечно-элементном комплексе ANSYS Fluent. Длина профиля зонда 6 может меняться в зависимости от типоразмера. Также в профиле зонда выполнено определенное, для данного типоразмера, количество отверстий 10, 11, предназначенных для передачи повышенного и пониженного давлений в соответствующие каналы высокого 13 и низкого 14 давлений (фиг. 3).The inventive probe for a flow meter shown in FIG. 1, consists of a D-shaped profile of the probe 6, a separator 1, a high-pressure chamber 8, a thermal resistance transducer 5, a housing 9, a fastening element 4 and a plug 12. The optimality of this D-shaped profile of the probe is determined by the parametric multicriteria optimization in finite element complex ANSYS Fluent. The length of the profile of the probe 6 may vary depending on the size. Also in the profile of the probe is made a certain, for a given standard size, the number of holes 10, 11, designed to transmit high and low pressures in the corresponding channels of high 13 and low 14 pressures (Fig. 3).

Пример реализации расходомера с зондом представлен на фиг. 2. Расходомер состоит из зонда для расходомера, клапанного блока 2, блока обработки информации 3, крепежного элемента 4 расходомера, преобразователя термосопротивления 5. Зонд имеет профиль 6 D-образной формы, причем округлая часть профиля является ударной поверхностью и позиционируется, при установке расходомера в трубе, навстречу движению потока жидкости или газа.An example of implementation of a flow meter with a probe is shown in Fig. 2. The flow meter consists of a probe for a flow meter, a valve block 2, an information processing unit 3, a fastening element 4 for a flow meter, a thermal resistance converter 5. The probe has a D-shaped profile 6, and the rounded part of the profile is a striking surface and is positioned when the flow meter is installed in pipe against the flow of liquid or gas.

Сечение профиля зонда представлено на фиг. 3. D-образный профиль зонда имеет внутри два герметичных канала 13 и 14 для передачи высокого и низкого давления соответственно. На передней ударной поверхности 15 D-образного профиля расположено по меньшей мере одно отверстие 10, которое может быть выполнено в любой возможной конфигурации, на боковых неударных поверхностях 16 имеются по меньшей мере одно отверстие 11. Преобразователь термосопротивления 5 расположен в средней части канала низкого давления 14 для точного измерения температуры текучей среды.The section of the probe profile is shown in Fig. 3. The D-shaped profile of the probe has two sealed channels 13 and 14 inside for transmission of high and low pressure, respectively. On the front impact surface 15 of the D-shaped profile there is at least one hole 10, which can be made in any possible configuration, on the side impact surfaces 16 there are at least one hole 11. The RTD 5 is located in the middle part of the low pressure channel 14 for accurate measurement of fluid temperature.

Фиг. 4 иллюстрирует пример расположения отверстий 10 D-образного профиля зонда на ударной поверхности 15, обращенной вверх по потоку, и отверстий 11 на неударной поверхности 16. Данные отверстия предназначены для передачи повышенного и пониженного давлений в соответствующие каналы высокого 13 и низкого 14 давлений. Приведенное на фиг. 4 расположение отверстий в каналах высокого 13 и низкого 14 давлений является лишь одним частным вариантом осуществления настоящей полезной модели. Настоящая полезная модель не ограничена проиллюстрированным и вышеописанным осуществлением.FIG. 4 illustrates an example of the arrangement of the holes 10 of the D-shaped profile of the probe on the impact surface 15, facing upstream, and holes 11 on the non-striking surface 16. These holes are designed to transfer high and low pressures in the corresponding channels of high 13 and low 14 pressure. Shown in FIG. 4, the arrangement of the holes in the high 13 and low 14 pressure channels is just one particular embodiment of the present invention. The present invention is not limited to the illustrated and above-described embodiments.

На Фиг. 5 изображены графики колебаний дифференциального давления для прототипа 18 и зонда по настоящей полезной модели 19, полученные при расчете в программном комплексе конечно-элементного анализа ANSYS Fluent.FIG. 5 shows the graphs of differential pressure fluctuations for the prototype 18 and the probe according to the present utility model 19, obtained during the calculation in the ANSYS Fluent finite element analysis software.

Расходомер на базе заявляемого зонда работает следующим образом. При набегании потока текучей среды на ударную поверхность 15 профиля зонда 6 поток обтекает профиль зонда 6 вдоль ударной поверхности 15 и после отрывается от нее вблизи краев, образовывая вихри. При этом перед ударной поверхностью 15 появляется область застойного давления набегающего потока, в которой давление p₁ превосходит статическое давление в трубопроводе, а вблизи неударных поверхностей в следе вихря образовывается зона пониженного давления, где давление р₂ меньше статического давления в трубопроводе. Давления p₁ и р₂ через отверстия 10, 11 в поверхностях передаются в каналы высокого 13 и низкого 14 давлений. При этом за счет многочисленных отверстий, распределенных вдоль диаметра трубопровода, давления в каналах высокого 13 и низкого 14 давлений усредняются, тем самым повышая точность измерения. Давления по каналам 13,14 зонда через разделитель 1 и клапанный блок 2 расходомера (фиг. 2) передаются к блоку обработки информации 3, в котором определяется разность этих давлений и по этой разнице вычисляется объемный и массовый расход, скомпенсированный по температуре по значению, получаемого от преобразователя термосопротивления 5 (фиг. 1, фиг. 2).The flow meter based on the proposed probe operates as follows. When the fluid flow runs on the impact surface 15 of the profile of the probe 6, the flow flows around the profile of the probe 6 along the impact surface 15 and then breaks away from it near the edges, forming vortices. In this case, an area of stagnant pressure of the incident flow appears in front of the impact surface 15, in which the pressure p ₁ exceeds the static pressure in the pipeline, and a zone of reduced pressure is formed near the non-impact surfaces in the vortex wake, where the pressure p _{2 is} less than the static pressure in the pipeline. The pressures p ₁ and p ₂ through the holes 10, 11 in the surfaces are transmitted to the high 13 and low 14 pressure channels. At the same time, due to the numerous holes distributed along the diameter of the pipeline, the pressures in the high 13 and low 14 pressure channels are averaged, thereby increasing the measurement accuracy. The pressures through the channels 13, 14 of the probe through the separator 1 and the valve block 2 of the flow meter (Fig. 2) are transmitted to the information processing unit 3, in which the difference of these pressures is determined and from this difference the volumetric and mass flow rates are calculated, compensated for the temperature by the value obtained from the thermal resistance converter 5 (Fig. 1, Fig. 2).

Таким образом, зонд по настоящему техническому решению имеет отличную от аналогов форму профиля, отличающуюся по характеристикам и характеру обтекания текучей средой от прототипа. Параметрическая оптимизация формы профиля в программном комплексе конечно-элементного анализа ANSYS Fluent с точки зрения характера обтекания показала, что D-образная форма профиля с передней ударной поверхностью 15, выполненной сопряжением трех окружностей, является оптимальной при выдерживании соотношений (фиг.4):Thus, the probe according to the present technical solution has a profile shape different from analogs, which differs in characteristics and the nature of the fluid flow from the prototype. Parametric optimization of the profile shape in the ANSYS Fluent finite element analysis software from the point of view of the flow pattern showed that the D-shape of the profile with the front impact surface 15, made by conjugation of three circles, is optimal while maintaining the relationships (Fig. 4):

Данное соотношении размеров профиля зонда 6 обеспечивает минимальную амплитуду колебаний дифференциального давления в широком диапазоне скоростей потока, что обеспечивает высокую по сравнению с прототипом повторяемость колебаний и отсутствие низкочастотной составляющей колебаний давления, и как следствие, приводит к повышению точности измерения дифференциального давления (фиг. 5).This ratio of the dimensions of the profile of the probe 6 provides the minimum amplitude of differential pressure fluctuations in a wide range of flow velocities, which provides a high, compared with the prototype, the repeatability of fluctuations and the absence of a low-frequency component of pressure fluctuations, and as a result, leads to an increase in the accuracy of measuring the differential pressure (Fig. 5) ...

Минимизация амплитуды колебаний объясняется тем, что при обтекании профиля зонда 6 D-образной формы текучей средой поток отрывается от краев передней ударной поверхности 15, образовывая вихри более низкой по сравнению с прототипом интенсивностью низкочастотных колебаний. Данная форма профиля зонда 6 обеспечивает согласованность образовываемых при обтекании текучей средой вихрей вдоль диаметрального направления, что минимизирует наличие случайных вторичных течений, которые вносят погрешность в показания измеряемого дифференциального давления. Требуемый перепад давления достигается за счет расположения отверстий 11 на неударных поверхностях 16 в стабильной зоне пониженного давления, образуемой следом вихря.The minimization of the vibration amplitude is explained by the fact that when the fluid flows around the D-shaped probe profile 6, the flow breaks away from the edges of the front impact surface 15, forming vortices with a lower intensity of low-frequency vibrations compared to the prototype. This shape of the profile of the probe 6 ensures the consistency of the vortices formed during the flow of the fluid medium along the diametrical direction, which minimizes the presence of random secondary flows, which introduce an error in the readings of the measured differential pressure. The required pressure drop is achieved by positioning the holes 11 on the non-striking surfaces 16 in a stable low pressure zone formed by the wake of the vortex.

Claims

1. A probe for a flow meter containing a housing (9), a profile of the probe (6) designed for diametrical placement in a pipeline, having an impact surface (15) facing upstream, and non-impact surfaces (16) downstream, characterized by the design D -shaped profile of the probe having channels of high (13) and low (14) pressures, hermetically isolated from each other, and the perpendicular section of the impact surface of the probe (15) located upstream is a curve obtained by conjugation of three circles having radius ratio

and overall dimensions of the probe profile

the non-striking surfaces (16) of the probe profile, located downstream, are made flat, perpendicular to the rear surface (17) of the probe profile (6); the impact surface (15) of the profile of the probe (6), facing upstream, has at least one hole (10); the downstream non-impact surfaces (16) have at least one opening (11).

2. A probe for a flow meter according to claim 1, characterized in that the holes on the non-striking surfaces (16) can occupy any position on the striking surfaces (16) along the direction of movement of the fluid opposite each other.

3. A probe for a flow meter according to claim 1, characterized in that the distance B between the impact surfaces (16) can be any, less than the width H of the impact surface (15).

4. A probe for a flow meter according to claim 1, characterized in that a resistance thermocouple is located in the low pressure channel (14).