RU2134866C1

RU2134866C1 - Device for measuring of substance flow rate in pressure pipeline

Info

Publication number: RU2134866C1
Application number: RU96116792A
Authority: RU
Inventors: А.Н. Егоров; Н.Л. Егоров
Original assignee: Егоров Алексей Николаевич
Priority date: 1996-08-14
Filing date: 1996-08-14
Publication date: 1999-08-20

Abstract

FIELD: measurement of flow rate, volume and density of liquid, gas, steam and their mixtures. SUBSTANCE: flow gets into internal channel of rotor-shaped body where it changes its direction through 90 deg continuously. Output section of channel represents circular slit, and areas of channel inlet and outlet holes are identical. Rotor is mounted in bearings for rotation and axial motion. Force F of flow dynamic thrust actuating the rotor is percepted by force sensor. Nozzle is mounted in front of rotor for balancing of speed zone. Device provides for accurate measurements due to proportionally between axial force F and measured flow rate. EFFECT: enhanced measurement accuracy. 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения массового и объемного расхода материальной среды в напорном трубопроводе. The invention relates to measuring technique and can be used to measure the mass and volumetric flow rate of the material medium in the pressure pipe.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для определения расхода воздуха [1], содержащее датчик силы и подвижное обтекаемое тело, подвергаемое воздействию динамического напора потока. Однако его недостатком является то, что значение коэффициента преобразования скорости потока в выходной сигнал датчика является первоначально неизвестным и должно определяться с помощью эталона. Closest to the invention in technical essence is a device for determining air flow [1], containing a force sensor and a moving streamlined body subjected to dynamic pressure of the flow. However, its disadvantage is that the value of the coefficient of conversion of the flow velocity into the output signal of the sensor is initially unknown and should be determined using the standard.

Технический результат, создаваемый настоящим изобретением, состоит в том, что осуществляется прямое измерение количества движения вещества, проходящего единицу времени через известное поперечное сечение трубопровода, в единицах силы, измеряемой датчиком, с последующим определением расхода благодаря выравненному полю скорости перед подвижным телом, а также вращению этого тела со скоростью, пропорциональной объемному расходу. The technical result created by the present invention is that a direct measurement of the momentum of a substance passing a unit of time through a known cross-section of the pipeline, in units of force measured by the sensor, with subsequent determination of the flow rate due to the aligned velocity field in front of the moving body, as well as rotation of this body at a rate proportional to the volumetric flow rate.

Указанный результат достигается тем, что подвижное тело, перед которым установлено сопло, выполнено в виде осесимметричного ротора, имеющего внутренний канал с равными площадями входа и выхода, с размещенными в нем лопатками, соосный своим входным участком с подводящим трубопроводом и образованный двумя криволинейными поверхностями для плавного изменения направления поступающего в канал потока вещества с первоначального на перпендикулярное к нему, при этом выходной участок канала представляет собой радиально-кольцевую щель, а датчик силы установлен в измерительной камере со стороны глухого торца ротора. This result is achieved in that the movable body, in front of which the nozzle is mounted, is made in the form of an axisymmetric rotor having an internal channel with equal inlet and outlet areas, with blades placed in it, coaxial with its inlet section with the inlet pipe and formed by two curved surfaces for smooth changes in the direction of the substance flowing into the channel from the original to the perpendicular to it, while the output section of the channel is a radial-annular gap, and the sensor forces installed in the measuring chamber from the side of the blind end of the rotor.

В основу работы устройства положен следующий физический принцип. The basis of the device is the following physical principle.

Набегающий поток материальной среды поступает во внутренний канал подвижного твердого тела, в котором он плавно изменяет свое направление с первоначального на перпендикулярное к нему. Осевая составляющая количества движения потока, набегающего в единицу времени, при равенстве нулю равнодействующей сил давления по внешней поверхности подвижного твердого тела равна осевой силе, приложенной к этому телу:

где j - плотность;
w - скорость на входе в канал;
S - площадь входа в канал, черта-знак осреднения по поперечному сечению.The incident flow of the material medium enters the inner channel of the moving solid, in which it smoothly changes its direction from the original to perpendicular to it. The axial component of the momentum of the flow running per unit time, when the resultant pressure forces along the outer surface of the moving solid are equal to zero, is equal to the axial force applied to this body:

where j is the density;
w is the velocity at the entrance to the channel;
S is the area of the entrance to the channel, the dash is the sign of averaging over the cross section.

Для того чтобы, пользуясь формулой (1), получить значение средней скорости и расхода вещества, необходимо на входе иметь равномерную эпюру скорости. Выравнивание скорости по сечению достигается установкой сужающего устройства в виде сопла, например сопла Витошинского [2]. В этом случае

и сила F может быть выражена формулами:

где Q и G - соответственно объемный и массовый расход.In order to use the formula (1) to obtain the mean velocity and flow rate of a substance, it is necessary to have a uniform velocity plot at the input. The speed equalization over the cross section is achieved by installing a narrowing device in the form of a nozzle, for example, a Vitoshinsky nozzle [2]. In this case

and the force F can be expressed by the formulas:

where Q and G are the volumetric and mass flow rates, respectively.

Объемный расход может быть определен по измеренному значению силы и известному значению плотности, массовый расход может быть определен по измеренным значениям силы и объемного расхода. The volumetric flow rate can be determined by the measured value of the force and the known density value, the mass flow rate can be determined by the measured values of the force and volumetric flow rate.

В качестве подвижного твердого тела используется ротор, помещенный в измерительную камеру, соединенную соосно с подводящим трубопроводом. Внутренний канал ротора образован двумя криволинейными поверхностями, благодаря которым происходит плавное преобразование осевого направления потока среды в веерно-радиальное. Части ротора, образующие внутренний канал, либо связаны между собой механически, например, с помощью бандажа с прорезями, расположенного на поверхности ротора, либо изготовлены как одно целое с использованием ребер-лопаток во внутреннем канале как связующих элементов. Ротор установлен в корпусе измерительной камеры на подшипниках с возможностью осевого перемещения. Веерно-радиальная струя выходит из ротора и через расположенную напротив кольцевую щель измерительной камеры выводится во внешний трубопровод. As a movable solid, a rotor is used, which is placed in a measuring chamber connected coaxially with the supply pipe. The inner channel of the rotor is formed by two curved surfaces, due to which there is a smooth conversion of the axial direction of the medium flow into a fan-radial one. The parts of the rotor forming the inner channel are either mechanically interconnected, for example, using a bandage with slots located on the surface of the rotor, or they are made as a whole using rib vanes in the inner channel as connecting elements. The rotor is mounted in the housing of the measuring chamber on bearings with the possibility of axial movement. The fan-radial jet exits the rotor and through the opposite annular gap of the measuring chamber is discharged into the external pipeline.

Для выравнивания давления на внешней поверхности ротора соотношение площадей входного и выходного отверстий внутреннего канала таково, что статическое давление среды в них одинаково. To equalize the pressure on the outer surface of the rotor, the ratio of the areas of the inlet and outlet openings of the inner channel is such that the static pressure of the medium in them is the same.

Осевое усилие, приложенное к ротору, воспринимается датчиком силы, расположенным со стороны глухого торца ротора. The axial force applied to the rotor is sensed by a force sensor located on the side of the blind end of the rotor.

Во внутреннем канале ротора установлены лопатки, вызывающие при наличии потока вращение ротора, что способствует уменьшению сил трения в подшипниках при осевом перемещении, а также получению информации о значении объемного расхода, которое является пропорциональным скорости вращения. Blades are installed in the inner channel of the rotor, causing the rotor to rotate in the presence of flow, which helps to reduce the friction forces in the bearings during axial movement, as well as to obtain information about the value of the volumetric flow rate, which is proportional to the speed of rotation.

Сущность изобретения поясняется чертежом, позиции на котором обозначают: 1-подводящий трубопровод, 2-сопло, 3-ротор, 4-корпус камеры, 5-бандаж, 6-подшипник, 7-линия связи датчика силы, 8-датчик силы, 9-лопатки. The invention is illustrated in the drawing, the positions on which indicate: 1-inlet pipe, 2-nozzle, 3-rotor, 4-body of the camera, 5-bandage, 6-bearing, 7-communication line of the force sensor, 8-force sensor, 9- shoulder blades.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

На выходе сопла формируется равномерное поле скорости, с которым поток вещества поступает в подвижное тело - ротор. Поворот потока внутри ротора вызывает возникновение силы, приложенной к подвижному телу в направлении первоначальной скорости. Подвижное тело воздействует на датчик силы, выходной сигнал которого является непосредственно измеряемым параметром. Благодаря лопаткам, расположенным во внутреннем канале, ротор приводится во вращение, что позволяет получить информацию о величине объемного расхода вещества. A uniform velocity field is formed at the nozzle exit, with which the flow of matter enters the moving body - the rotor. The rotation of the flow inside the rotor causes a force to be applied to the moving body in the direction of the initial speed. The moving body acts on the force sensor, the output signal of which is a directly measured parameter. Thanks to the blades located in the internal channel, the rotor is driven into rotation, which allows to obtain information about the volumetric flow rate of the substance.

Источники информации
1. Л. П. Алексеев, М.Б.Метелкин, В.И.Титов, Авт. свидетельство СССР N 1500832, Бюлл. N 30, 1989 г.Sources of information
1. L.P. Alekseev, M.B. Metelkin, V.I. Titov, Avt. USSR certificate N 1500832, Bull. N 30, 1989

2. М.Е.Дейч. Техническая газодинамика. М. "Энергия" 1974 г., стр. 281. 2. M.E. Deutch. Technical gas dynamics. M. "Energy" 1974, p. 281.

Claims

A device for measuring the flow rate of a substance in a pressure pipe, comprising a force sensor and a movable body located in the measuring chamber, which is installed with the possibility of acting on the sensor under the influence of a dynamic flow pressure, characterized in that the movable body is made in the form of an axisymmetric rotor, in the inner channel of which is coaxial its inlet section with a supply pipe and formed by two curved surfaces to smoothly change the direction of the substance flowing into the channel from the first blades perpendicular to it, blades are placed, while the channel-forming parts of the rotor are mechanically interconnected, the output section of the internal channel is a radially annular gap, the areas of the channel inlet and outlet openings are the same, and the force sensor is installed in the measuring chamber from the side of the blind end rotor, before the entrance to which the nozzle is installed.