RU2112217C1

RU2112217C1 - Vortex flowmeter

Info

Publication number: RU2112217C1
Application number: RU96100131A
Authority: RU
Inventors: Борис Дмитриевич Ефремов; Александр Николаевич Канаев; Александр Владимирович Михайлов; Владимир Филиппович Опейкин; Геннадий Борисович Орлов; Андрей Игоревич Поляков; Владимир Георгиевич Шморин
Original assignee: Борис Дмитриевич Ефремов; Александр Николаевич Канаев; Александр Владимирович Михайлов; Владимир Филиппович Опейкин; Геннадий Борисович Орлов; Андрей Игоревич Поляков; Владимир Георгиевич Шморин
Priority date: 1996-01-03
Filing date: 1996-01-03
Publication date: 1998-05-27

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: flowmeter has pipeline section, flow-around body 2 designed to create vortex formation areas and positioned in pipeline at right angles with pipeline axis, cylindrical chamber 4 in flow-around body communicating by means of two channels 3 brought out to vortex formation areas on opposite sides of flow-around body, in symmetry with plane passing through longitudinal axis of pipeline. It is also provided with signal take-off assembly with sensing element 8 which is positioned freely in cylindrical chamber. In addition, use is made of limiters 5 of sensing element movement in cylindrical chamber. Signal take-off assembly is made in form of radiator 6 and radiator receiver 7 which form optical or fiber-optical sensor, optical axis of which crosses cylindrical chamber axis between limiters of sensing element movement. Sensing element 8 is manufactured as ball of material optically transparent in radiator frequency range. Radiator and signal take-off receiver are made monochromatic. EFFECT: higher measurement results. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения расхода жидких и газообразных сред. The invention relates to measuring technique and can be used to measure the flow rate of liquid and gaseous media.

Известен вихревой расходомер, содержащий тело обтекания со сквозным щелевым каналом, расположенное перпендикулярно оси трубопровода, установленный вдоль оси канала пластинчатый элемент, вторичный преобразователь и источник питания (Авторское свидетельство СССР N 459672, кл. G 01 F 1/00, 1975). Known vortex flowmeter containing a flow around body with a through slotted channel, perpendicular to the axis of the pipeline, a plate element along the channel axis, a secondary converter and a power source (USSR Author's Certificate N 459672, class G 01 F 1/00, 1975).

Недостатками данного расходомера являются узкий диапазон и невысокая точность измерений, так как при больших скоростях измеряемой среды, сопровождающихся большой частотой срыва вихрей, проявляются инерционные свойства пластины. При малых скоростях среды разность давлений на противоположных плоскостях пластинчатого элемента недостаточна для генерирования полезного сигнала необходимой амплитуды. Кроме того, вторичный преобразователь расходомера выполнен на основе пьезоэлектрического элемента, имеющего высокое внутреннее сопротивление, требует надежной электрической изоляции от измеряемой среды, что усложняет конструкцию и понижает надежность чувствительного элемента. The disadvantages of this flow meter are a narrow range and low measurement accuracy, since at high speeds of the medium being measured, accompanied by a high frequency of vortex disruption, the inertial properties of the plate are manifested. At low medium velocities, the pressure difference on the opposite planes of the plate element is insufficient to generate a useful signal of the required amplitude. In addition, the secondary Converter of the flow meter is made on the basis of a piezoelectric element having a high internal resistance, requires reliable electrical isolation from the measured medium, which complicates the design and reduces the reliability of the sensitive element.

Известны также вихревые расходомеры, содержащие тело обтекания со сквозным щелевым каналом, расположенным перпендикулярно его продольной оси, гибкую электропроводящую пластину и стержневой электрод, свободно размещенные в канале, вторичный преобразователь, источник питания, конденсатор и ограничительный резистор (Патент Российской Федерации N 2010164, кл. G 0 F 1/00, 1994 г., Патент Российской Федерации N 200547, кл. G 01 F 1/00, 1993 г. ) При движении измеряемой среды электропроводящая пластина совершает поперечные колебания с частотой, пропорциональной скорости потока, что приводит к модуляции расстояния между пластиной и электродом, а следовательно, и межэлектродного сопротивления. Изменение межэлектродного сопротивления преобразуется вторичным преобразователем в выходной сигнал измерительного элемента. Vortex flowmeters are also known, containing a flow around body with a through slot channel located perpendicular to its longitudinal axis, a flexible conductive plate and a rod electrode, freely placed in the channel, a secondary converter, a power source, a capacitor, and a limiting resistor (Patent of the Russian Federation N 2010164, class. G 0 F 1/00, 1994, Patent of the Russian Federation N 200547, CL G 01 F 1/00, 1993) When the medium is moving, the electrically conductive plate performs transverse vibrations with a frequency proportional to flow growth, which leads to modulation of the distance between the plate and the electrode, and hence the interelectrode resistance. The change in the interelectrode resistance is converted by the secondary converter into the output signal of the measuring element.

Основным недостатком данных устройств является ограничение функциональных возможностей из-за их непригодности для измерения расходов диэлектрических и газообразных сред. Кроме того, резонансная частота пластины ограничивает верхний предел диапазона измерений. The main disadvantage of these devices is the limitation of functionality due to their unsuitability for measuring the flow rate of dielectric and gaseous media. In addition, the resonant frequency of the plate limits the upper limit of the measuring range.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по техническим возможностям и достигаемому результату является вихревой расходомер, содержащий установленное в трубопроводе перпендикулярно его продольной оси тело обтекания, в котором выполнен индуктивный узел съема сигнала с чувствительным элементом, свободно размещенным в цилиндрической камере, сообщающийся двумя каналами, выведенными на противоположные стороны тела обтекания, симметричные относительно плоскости, проходящей через продольные оси трубопровода и тела обтекания, с областью вихреобразования (Патент Российской Федерации N 2002208, кл. G 01 F 1/32, 1993). The closest to the claimed invention in terms of technical capabilities and the achieved result is a vortex flowmeter containing a flow body installed in the pipeline perpendicular to its longitudinal axis, in which an inductive signal pickup unit is made with a sensing element freely placed in a cylindrical chamber, communicating with two channels displayed on opposite the sides of the flow around the body, symmetrical with respect to the plane passing through the longitudinal axis of the pipeline and the body around vortex generation (Patent of the Russian Federation N 2002208, CL G 01 F 1/32, 1993).

Недостатками данного устройства являются недостаточная надежность и точность измерений вследствие низкой помехозащищенности индуктивного узла съема информации, приводящей к сбоям и ложным срабатываниям измерительного тракта в результате воздействии акустических и вибрационных помех, наводок от токов промышленной частоты и присутствующих в измеряемой среде случайных металлических включений. Кроме того, на выходе индуктивного узла съема сигнала формируется дифференциальный сигнал сложной формы, помеховая составляющая которого зависит от частоты и характера пульсаций чувствительного элемента, что в значительной мере усложняет обработку информации вторичным преобразователем. The disadvantages of this device are the lack of reliability and accuracy of measurements due to the low noise immunity of the inductive data acquisition unit, leading to malfunctions and false alarms of the measuring path as a result of exposure to acoustic and vibration disturbances, interference from industrial frequency currents and random metal impurities present in the measured medium. In addition, a differential signal of a complex shape is formed at the output of the inductive signal pickup unit, the noise component of which depends on the frequency and nature of the pulsations of the sensing element, which greatly complicates the processing of information by the secondary converter.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в расходомер, содержащий участок трубопровода, по которому проходит измеряемая среда, тело обтекания для создания областей вихреобразования, установленное в трубопроводе перпендикулярно оси трубопровода, цилиндрическую камеру в теле обтекания, сообщающуюся двумя каналами, выведенными в области вихреобразования на противоположных сторонах тела обтекания симметрично относительно плоскости, проходящей через продольную ось трубопровода, и узел съема сигнала с чувствительным элементом, который свободно размещен в цилиндрической камере, дополнительно введены ограничители хода чувствительного элемента, а узел съема сигнала выполнен в виде оптического или волоконно-оптического датчика, оптическая ось которого пересекает ось цилиндрической камеры между ограничителями хода чувствительного элемента, причем чувствительный элемент выполнен в виде сплошного или полого шара из материала, оптически прозрачного в частотном диапазоне излучателя, а излучатель и приемник узла съема сигнала - монохроматическими. Такое техническое решение обеспечивает защищенность измерительного тракта расходомера от воздействия акустических и электромагнитных помех, а следовательно - высокую надежность и точность измерений в самых сложных условиях применения. The essence of the invention lies in the fact that in a flowmeter containing a portion of the pipeline through which the medium is measured, a flow body to create vortex regions installed in the pipeline perpendicular to the axis of the pipeline, a cylindrical chamber in the body flow, communicating with two channels displayed in the vortex region on opposite sides of the flow body symmetrically with respect to the plane passing through the longitudinal axis of the pipeline, and the signal pick-up unit with sensitive electric by means of a device that is freely located in the cylindrical chamber, the limiters of the stroke of the sensitive element are additionally introduced, and the signal pick-up unit is made in the form of an optical or fiber-optic sensor, the optical axis of which intersects the axis of the cylindrical chamber between the limiters of the stroke of the sensitive element, and the sensitive element is made in the form of a solid or a hollow ball of material optically transparent in the frequency range of the emitter, and the emitter and receiver of the signal pickup unit are monochromatic. This technical solution ensures the protection of the measuring path of the flowmeter from the effects of acoustic and electromagnetic interference, and therefore - high reliability and accuracy of measurements in the most difficult application conditions.

Частотный выходной сигнал узла съема сигнала имеет прямоугольную форму, обеспечивает долговременную стабильность показаний, воспроизводимость, отсутствие дрейфа нуля и не требует сложных схем его преобразования. The frequency output signal of the signal pickup unit has a rectangular shape, provides long-term stability of readings, reproducibility, the absence of zero drift and does not require complex schemes for its conversion.

На фиг. 1 изображен поперечный разрез участка трубопровода с вихревым расходомером; на фиг. 2 - то же, продольный разрез. In FIG. 1 shows a cross section of a section of a pipeline with a vortex flowmeter; in FIG. 2 - the same, longitudinal section.

Вихревой расходомер (фиг. 1 и 2) содержит участок трубопровода и тело обтекания 2, установленное перпендикулярно оси трубопровода. Тело обтекания может выполняться в виде цилиндра, призмы прямоугольного, треугольного, трапецеидального сечения или иметь более сложную форму. Внутри тела обтекания 2 выполнены каналы 3, сообщающие область вихреобразования измеряемой среды в трубопроводе с цилиндрической камерой 4. Ограничители 5 могут быть штыревого типа и ограничивают ход чувствительного элемента 8 на половине его диаметра от оптической оси узла съема сигнала с одной стороны и на целый диаметр - с другой. The vortex flowmeter (Fig. 1 and 2) contains a section of the pipeline and the body flow around 2, mounted perpendicular to the axis of the pipeline. The body of the flow around can be in the form of a cylinder, a prism of a rectangular, triangular, trapezoidal section or have a more complex shape. Channels 3 are made inside the body of the flow around 2, communicating the vortex region of the measured medium in the pipeline with a cylindrical chamber 4. The limiters 5 can be pin-type and limit the course of the sensitive element 8 to half its diameter from the optical axis of the signal pick-up unit on one side and by a whole diameter with another.

Такое асимметричное ограничение позволяет получать на выходе узла съема сигнала электрический сигнал прямоугольной формы, не требующий дальнейшего преобразования. Such an asymmetric limitation makes it possible to obtain a rectangular electric signal at the output of the signal pickup unit, which does not require further conversion.

Монохроматический излучатель 6 и приемник излучения 7 образуют фотоэлектрический узел съема сигнала. Узел сема сигнала может выполняться и в виде оптического или волоконно-оптического датчика. Более подробно об этих датчиках можно узнать в технической литературе (например, Справочная книга по светотехнике М.: Энергоатомиздат, 1995 или Волоконно-оптическая связь. Приборы, схемы и системы. М.: Радио и связь 1982). В случае выполнения узла съема сигнала в виде волоконно-оптического датчика излучатель и приемник излучения устанавливаются вне тела обтекания, что расширяет функциональные возможности расходомера в случае его применения в экстремальных условиях (высокие температуры и давление, агрессивная среда). Длина волны излучателя составляет 0,96 мкм. Для этого излучения чувствительный элемент 8, выполненный, например, из полиамида 68, является собирающий линзой. Диаметр чувствительного элемента меньше диаметра поперечного сечения цилиндрической камеры, что позволяет ему свободно перемещаться под воздействием знакопеременных пульсаций давления измеряемой среды. The monochromatic emitter 6 and the radiation receiver 7 form a photoelectric signal pickup unit. The node SEM signal can be performed in the form of an optical or fiber-optic sensor. More details about these sensors can be found in the technical literature (for example, the Reference book on lighting engineering M .: Energoatomizdat, 1995 or Fiber-optic communication. Devices, circuits and systems. M: Radio and communication 1982). In the case of the execution of the signal pickup unit in the form of a fiber-optic sensor, the emitter and radiation receiver are installed outside the flow body, which expands the functionality of the flowmeter if it is used in extreme conditions (high temperatures and pressure, aggressive environment). The emitter wavelength is 0.96 μm. For this radiation, the sensing element 8, made for example of polyamide 68, is a collecting lens. The diameter of the sensitive element is less than the diameter of the cross section of the cylindrical chamber, which allows it to move freely under the influence of alternating pressure pulsations of the measured medium.

Расходомер работает следующим образом. При движении среды в трубопроводе 1 происходит периодический срыв вихрей с тела обтекания 2 и возникает вихревая дорожка Кармана. Чередование вихрей с одной и другой сторон тела обтекания 2 вызывает знакопеременные пульсации давления измеряемой среды на его боковых гранях. Частота пульсации давления согласно критерия Струхаля пропорциональна скорости среды, а следовательно, при постоянном характерном размере тела обтекания и объемному расходу измеряемой среды через сечение трубопровода. Указанные пульсации давления вызывают знакопеременное движение измеряемой среды в каналах 3 и цилиндрической камере 4 с расположенным в ней чувствительным элементом 8. При этом чувствительный элемент 8 увлекается потоком измеряемой среды и совершает колебательные движения между ограничителями 5, пересекая оптическую ось фотоэлектрического узла съема сигнала. На выходе приемника излучения 7 формируются импульсы прямоугольной формы, частота следования которых пропорциональна величине объемного расхода через измерительное сечение расходомера. The flow meter operates as follows. When the medium moves in the pipeline 1, a periodical breakdown of the vortices from the flow body 2 occurs and a Karman vortex path arises. The alternation of vortices from one and the other sides of the body of the flow around 2 causes alternating pressure pulsations of the measured medium on its lateral faces. The pressure pulsation frequency according to the Strouhal criterion is proportional to the speed of the medium, and therefore, at a constant characteristic size of the flow body and the volumetric flow rate of the measured medium through the pipeline section. These pressure pulsations cause alternating motion of the measured medium in the channels 3 and the cylindrical chamber 4 with the sensing element 8 located in it. In this case, the sensing element 8 is carried away by the flow of the measured medium and oscillates between the limiters 5, crossing the optical axis of the photoelectric signal pick-up unit. At the output of the radiation receiver 7, rectangular pulses are formed, the repetition rate of which is proportional to the volumetric flow rate through the measuring section of the flowmeter.

Заявляемое устройство обладает повышенной защищенностью к воздействию акустических и электрических помех, а следовательно высокой надежностью его работы и точностью измерений в экстремальных условиях. The inventive device has increased immunity to the effects of acoustic and electrical noise, and therefore the high reliability of its operation and the accuracy of measurements in extreme conditions.

Устройство работоспособно во всем диапазоне надежного вихреобразования и может быть использовано для измерения расходов газообразных и жидких сред независимо от их физических свойств. The device is operable in the entire range of reliable vortex formation and can be used to measure the flow rates of gaseous and liquid media, regardless of their physical properties.

Кроме того, расходомер имеет простую конструкцию чувствительного элемента и узла съема сигнала, является технологичным при его изготовлении и не требует точных схем преобразования выходного сигнала. In addition, the flow meter has a simple design of the sensing element and the signal pick-up unit, is technologically advanced in its manufacture and does not require exact schemes for converting the output signal.

Claims

1. A vortex flowmeter containing a section of the pipeline, the body of the flow around to create areas of vortex formation, installed in the pipeline perpendicular to the axis of the pipeline, a cylindrical chamber in the body of the stream, communicating with two channels displayed in the field of vortex on opposite sides of the body of flow around symmetrically relative to the plane passing through the longitudinal the axis of the pipeline, and the site of the signal pickup with a sensitive element, which is freely placed in a cylindrical chamber, characterized in that it is It is loaded with limiters of the stroke of the sensitive element in the cylindrical chamber, and the signal pickup unit is made in the form of a radiator and a radiation receiver, forming an optical or fiber-optic sensor, the optical axis of which intersects the axis of the cylindrical chamber between the limiters of the sensitive element.

2. The flow meter according to claim 1, characterized in that the sensitive element is made in the form of a ball of material optically transparent in the frequency range of the emitter, and the emitter and the receiver of the signal pickup are monochromatic.