RU2167399C2

RU2167399C2 - Method of measurement of liquid flow rate

Info

Publication number: RU2167399C2
Application number: RU99110772A
Authority: RU
Inventors: В.П. Карликов; О.В. Трушина; Г.И. Шоломович
Original assignee: Научно-исследовательский институт механики МГУ им. М.В. Ломоносова
Priority date: 1999-05-21
Filing date: 1999-05-21
Publication date: 2001-05-20

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: jet of liquid is discharged from nozzle mounted in base; vertical walls are mounted along longer sides of base. Length of rectangular exit section of nozzle is equal to distance between vertical walls; ratio of sides of section ranges from 0.02 to 0.04. After flooding initial section, period of self-excited oscillations of free flat jet are measured by means of photocell or video unit. Depending on magnitude of period, flow rate is determined by given dependences. EFFECT: extended range of measurements towards low flow rates. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности измерения расхода жидкостей. The invention relates to the field of measuring equipment, in particular measuring the flow rate of liquids.

Известен ряд способов измерения расхода жидкости, основанных на определении либо перепада давления на местном гидравлическом сопротивлении (сопла, диафрагмы), либо перемещения деталей расходомерного устройства, помещенных в поток жидкости (турборасходомеры, ротаметры и т.п.) [1]. There are a number of methods for measuring fluid flow, based on the determination of either the differential pressure on the local hydraulic resistance (nozzle, diaphragm), or the movement of parts of the flow meter device placed in the fluid flow (turbo flow meters, rotameters, etc.) [1].

В [1] описаны и некоторые типы так называемых струйных расходомеров - вихревые расходомеры с осциллирующей струей, расходомеры ударно-струйные и расходомеры с отклонением вытекающей струи. In [1], some types of so-called jet flowmeters are described — vortex flowmeters with an oscillating jet, shock-jet flow meters, and flow meters with a deviation of an outflowing jet.

Известен также струйный расходомер [2], в котором вытекающая из сопла струя жидкости, встречая на своем пути профилированную преграду, изменяет направление на обратное, причем взаимодействие прямого и обратного потоков приводит к возбуждению колебаний струи, о котором можно судить по колебаниям давления в окрестности сопла. Взаимодействие струй происходит в замкнутой, полностью заполненной жидкостью камере. Частота колебаний давления линейно зависит от расхода жидкости в струе. Also known is a jet flow meter [2], in which a jet of liquid flowing out of a nozzle, encountering a profiled obstruction, changes direction in the opposite direction, and the interaction of forward and reverse flows leads to the excitation of jet oscillations, which can be judged from pressure fluctuations in the vicinity of the nozzle . The interaction of the jets occurs in a closed, completely filled with liquid chamber. The frequency of pressure fluctuations linearly depends on the flow rate of the liquid in the stream.

Этот расходомер может быть рассмотрен в качестве ближайшего аналога, поскольку целью настоящего изобретения также является получение сведений о величине расхода жидкости в струе на основе измерения периода ее колебаний и использования математической зависимости, связывающей этот период с величиной расхода. This flow meter can be considered as the closest analogue, since the purpose of the present invention is also to obtain information about the amount of fluid flow in the jet based on measuring the period of its oscillations and using a mathematical relationship that relates this period to the flow rate.

В отличие от [2] в предлагаемом способе измерения расхода формируется свободная струя жидкости, совершающая колебания, которые могут быть зарегистрированы любым известным способом, например фотоэлементом или видеоаппаратурой. Предлагаемый способ можно осуществить для измерений в заданном диапазоне расходов жидкости и, в частности, при ее малых расходах. In contrast to [2], in the proposed method for measuring the flow rate, a free liquid stream is formed, which oscillates, which can be detected by any known method, for example, a photocell or video equipment. The proposed method can be implemented for measurements in a given range of fluid flow rates and, in particular, at its low flow rates.

Указанная цель достигается тем, что из плоского прямоугольного основания, по длинным сторонам которого устанавливают вертикальные стенки, выпускают вертикально вверх струю жидкости, ее начальное сечение формируют в виде прямоугольника, длинная сторона которого равна расстоянию между указанными стенками, а отношение сторон лежит в пределах 0.02-0.4. При этом за счет жидкости, поступающей из струи и растекающейся вдоль основания к его концам, начальное сечение струи оказывается затопленным слоем жидкости со свободной поверхностью. Участки основания по обе стороны насадка выполняют протяженностью не менее 50 ширин начального сечения струи, что обеспечивает падение струи в пределах этого же основания. Далее измеряют период наблюдаемых автоколебаний струи t и, если t лежит в диапазоне 10•g^-1/2•d^1/2≅t≅30• g^-1/2•d^1/2, то расход жидкости Q находят по формуле
Q=0.21•g•d•s•t,
а если в диапазоне 30•g^-1/2•d^1/2< t ≅ 60•g^-1/2•d^1/2, то по формуле
Q=0.04•g^5/4•d^3/4•s•t^3/2.This goal is achieved by the fact that from a flat rectangular base, on the long sides of which vertical walls are installed, a jet of liquid is released vertically upward, its initial section is formed in the form of a rectangle, the long side of which is equal to the distance between these walls, and the aspect ratio is within 0.02- 0.4. In this case, due to the liquid coming from the jet and spreading along the base to its ends, the initial section of the jet is a flooded layer of liquid with a free surface. The base sections on both sides of the nozzle are not less than 50 times the width of the initial section of the jet, which ensures the fall of the jet within the same base. Next, the period of the observed self-oscillations of the jet t is measured and, if t lies in the range 10 • g ^-1/2 • d ^1/2 ≅t≅30 • g ^-1/2 • d ^1/2 , then the fluid flow rate Q is found by the formula
Q = 0.21 • g • d • s • t,
and if in the range 30 • g ^-1/2 • d ^1/2 <t ≅ 60 • g ^-1/2 • d ^1/2 , then by the formula
Q = 0.04 • g ^5/4 • d ^3/4 • s • t ^3/2 .

В этих формулах: g - ускорение силы тяжести, d и s - соответственно ширина и длина начального сечения струи. In these formulas: g is the acceleration of gravity, d and s are the width and length of the initial section of the jet, respectively.

Нужный диапазон величин измеряемых расходов всегда может быть обеспечен за счет выбора соответствующих размеров d и s. The desired range of measured flow rates can always be ensured by choosing the appropriate sizes d and s.

Приведенные формулы для определения величины расхода жидкости по измеренным значениям периода автоколебаний струи и диапазоны применимости этих формул получены на основании работы [3], в которой содержится подробный анализ, теоретическое обоснование, а также результаты экспериментального определения периода автоколебаний струи при различных условиях ее формирования. The given formulas for determining the liquid flow rate from the measured values of the period of self-oscillations of the jet and the ranges of applicability of these formulas are obtained on the basis of [3], which contains a detailed analysis, theoretical justification, as well as the results of experimental determination of the period of self-oscillations of the jet under various conditions of its formation.

Механизм возникновения автоколебаний струи состоит в следующем. При подаче струи жидкости и проходе ее через слой затопления над поверхностью жидкости формируется свободная струя. Когда под действием силы тяжести эта струя падает на поверхность жидкости, образуется волна сжатия, которая, распространяясь по слою жидкости со скоростью звука в данной жидкости, достигает затопленного участка струи и сообщает струе импульс давления, отклоняющий ее в противоположную сторону. При новом падении струи возникающая опять волна сжатия отклоняет струю в прежнюю сторону и процесс повторяется. The mechanism of occurrence of self-oscillations of the jet is as follows. When a liquid stream is supplied and passes through a flooding layer above the liquid surface, a free stream is formed. When, under the influence of gravity, this jet falls on the surface of the liquid, a compression wave is formed, which, propagating through the liquid layer with the speed of sound in the liquid, reaches the flooded section of the jet and gives the jet a pressure impulse deflecting it in the opposite direction. With a new jet drop, the compression wave that arises again deflects the jet to the previous side and the process repeats.

Пример осуществления способа изображен на схеме. An example implementation of the method is shown in the diagram.

Из источника (не показан) жидкость подают по трубопроводу 1, заканчивающемуся насадком 2, формирующим вертикальную струю с шириной начального сечения d, который располагают в основании 3 между вертикальными стенками 4. По истечении некоторого времени, определяемого разностью расходов подаваемой и стекающей с основания жидкости, начальный участок струи оказывается затопленным, т. е. погруженным под поверхность жидкости, и возникает режим регулярных колебаний свободной струи 5, период которых и подлежит регистрации. Жидкость, стекающая с концов основания, попадает в сборник 6 и далее продолжает движение к потребителю по трубопроводу 7. Для случаев измерения расходов жидкости в напорных трубопроводах схема может быть дополнена герметичным прочным корпусом 8. From a source (not shown), the liquid is fed through a pipe 1 ending with a nozzle 2, forming a vertical stream with an initial section width d, which is located at the base 3 between the vertical walls 4. After some time, determined by the difference in the flow rate of the liquid supplied and flowing from the base, the initial section of the jet is flooded, i.e., submerged beneath the surface of the liquid, and a regime of regular oscillations of the free stream 5 arises, the period of which is subject to registration. The liquid flowing from the ends of the base, enters the collector 6 and then continues to move to the consumer through the pipeline 7. For cases of measuring fluid flow in pressure pipelines, the circuit can be supplemented by a sealed strong housing 8.

Источники информации
1. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества, Л., "Машиностроение", 1989.Sources of information
1. Kremlin P.P. Flowmeters and counters of quantity, L., "Engineering", 1989.

2. Авторское свидетельство СССР N 1295230, кл. G 01 F 1/20, 1987 (прототип). 2. Copyright certificate of the USSR N 1295230, cl. G 01 F 1/20, 1987 (prototype).

3. Карликов В. П., Трушина О.В. Об автоколебательных режимах истечения плоских струй жидкости из-под свободной поверхности. Труды МИАН им. Стеклова "Современные методы механики сплошных сред", М., т. 223, "Наука", 1998. 3. Karlikov V. P., Trushina O. V. On self-oscillating regimes of the outflow of plane streams of liquid from under a free surface. Proceedings of the Steklov Mathematical Institute Steklova "Modern methods of mechanics of continuous media", M., t. 223, "Science", 1998.

Claims

A method of measuring fluid flow, which consists in forming a fluid jet using a nozzle located on the base, vertical walls are installed on its long sides, flooding the initial section of the jet and determining the period of occurring self-oscillations of the jet, characterized in that the liquid jet is released vertically upward, while the initial section is formed in the form of a rectangle, the long side of which is equal to the distance between the indicated walls, and the aspect ratio lies in the range 0.02 - 0.4, sections based I on either side of the initial section of the jet coming out of which the liquid flows along the base to its ends is performed with length not less than the width of said section 50, and if the period of self-oscillation arising jets lies in the range 10 • g ^-1/2 • d ^1/2 ≅t≅30 • g ^-1/2 • d ^1/2 ,
then the fluid flow rate is found by the formula
Q = 0.21 • g • d • s • t,
and if in the range 30 • g ^-1/2 • d ^1/2 <t≅60 • g ^-1/2 • d ^1/2 , then by the formula
Q = 0.04 • g ^5/4 • d ^3/4 • s • t ^3/2 ,
where Q is the fluid flow rate;
g is the acceleration of gravity;
d is the width of the initial section of the jet;
s is the length of the initial section of the jet;
t is the oscillation period of the jet.