RU224996U1

RU224996U1 - Струйный датчик расхода

Info

Publication number: RU224996U1
Application number: RU2023134502U
Authority: RU
Inventors: Николай Витальевич Вологодский; Юрий Александрович Канунников; Игорь Анатольевич Мельников; Артем Олегович Сигида
Original assignee: Акционерное общество "Омское машиностроительное конструкторское бюро"
Filing date: 2023-12-22
Publication date: 2024-04-11

Abstract

Струйный датчик расхода относится к измерительным устройствам и может быть использован для измерения расходов газа или жидкости. Технический результат заключается в создание относительно простого датчика расхода с расширенным рабочим диапазоном, с ограниченным и без резких изменений рабочим перепадом давлений. Для достижения технического результата струйный датчик расхода содержит два идентичных последовательно расположенных первичных частотных струйных преобразователя (ПЧСП) с преобразованием пульсаций давления в выходной электрический сигнал. Параллельно первому ПЧСП установлен управляемый клапан, проходное сечение которого изменяется в зависимости от перепада, а параллельно второму ПЧСП установлено сужающее устройство. Использование полезной модели позволяет измерять расход газа или жидкости в производственных процессах, в системах автоматического регулирования и в узлах учета. 1 ил.

Description

Полезная модель относится к измерительным устройствам и может быть использована для измерения расходов газа или жидкости в производственных процессах, в системах автоматического регулирования, например, ГТД, а также в узлах учета энергоресурсов (для коммерческого учета).

Известен струйный датчик расхода (СДР) («Приборы и устройства струйной техники», Материалы краткосрочного семинара 12-13 февраля 1980 года, Ленинград, Ленинградский дом научно-технической пропаганды), представляющий собой первичный частотный струйный преобразователь расхода (ПЧСП), содержащий струйный переключатель (СП) с каналами обратной связи, соединяющими выходные каналы СП с управляющими соплами СП и подключенный к выходным каналам СП бароэлектропреобразователь (БЭП), причем параллельно ПЧСП установлено сужающее устройство (СУ). Недостаток этого устройства - небольшой диапазон измеряемых расходов.

Наиболее близким техническим решением является струйный датчик расхода (СДР) (свидетельство на полезную модель №3820, G01F 1/00, от 28.02.1995), содержащий первичный частотный струйный преобразователь (ПЧСП), выполненный в виде струйного переключателя (СП), замкнутого отрицательными обратными связями, имеющий бароэлектропреобразователь (БЭП) (преобразователь пульсаций давления рабочей среды в электрический сигнал), подключенный к выходным каналам СП, причем (для увеличения диапазона измерения) параллельно ПЧСП подключены последовательно сужающее устройство (СУ) и управляемый (по электрическому сигналу) клапан (УК).

Недостатком такого СРД является излишняя его сложность - наличие электроуправляемого клапана с системой управления, Также релейное изменение перепада на СДР при открытии (закрытии) управляемого клапана, что, например, при применении данного СДР в системе управления подачи топлива в камеру сгорания ГТД, после релейного подключения (отключения) СУ в СДР, может вызвать нестабильную работу САУ, что снижает область применения этого СДР.

Техническим результатом, на достижение которого направлена полезная модель, является создание относительно простого датчика расхода с расширенным по расходу рабочим диапазоном, с ограниченным рабочим перепадом давлений, без резких изменений перепада давлений на СДР во время его работы.

Для достижения указанного технического результата в СДР, содержащем первичный частотный струйный преобразователь (ПЧСП 1), выполненный в виде струйного переключателя, вход которого соединен с входной полостью СДР, замкнутого отрицательными обратными связями, преобразователь пульсации давления в выходных каналах струйного переключателя в выходной электрический сигнал, параллельно первичному частотному струйному преобразователю установлен управляемый клапан (УК), причем последовательно с ПЧСП 1 установлен дополнительный первичный частотный струйный преобразователь (ПЧСП 2), идентичный ПЧСП 1, вход ПЧСП 2 соединен с выходом ПЧСП 1, а выход с выходной полостью СДР, и параллельно ПЧСП 2 установлено сужающее устройство (СУ), причем управляемый клапан под действием пружины при отсутствии расхода через СДР закрыт и при работе СДР управляемый клапан открывается под действием перепада давлений на первичном частотном струйном преобразователе.

Отличительные признаки заявленного СРД, а именно то, что в СДР, содержащем первичный частотный струйный преобразователь (ПЧСП 1), выполненный в виде струйного переключателя, вход которого соединен с входной полостью СДР, замкнутого отрицательными обратными связями, преобразователь пульсаций давления в выходных каналах струйного переключателя в выходной электрический сигнал, причем параллельно первичному частотному струйному преобразователю установлен управляемый клапан (УК), последовательно ПЧСП 1 установлен дополнительный первичный частотный струйный преобразователь (ПЧСП 2), идентичный ПЧСП 1, вход ПЧСП 2 соединен с выходом ПЧСП 1, а выход с выходной полостью СДР, и параллельно ПЧСП 2 установлено сужающее устройство (СУ), причем управляемый клапан под действием пружины при отсутствии расхода через СДР закрыт и при работе СДР управляемый клапан открывается под действием перепада давлений на первичном частотном струйном преобразователе, позволяют получить относительно простой по конструкции СРД с более широким диапазоном измерения расходов, с небольшим перепадом рабочих давлений, не имеющем скачков давления при открытии-закрытии УК, обладающим высокой экономичностью - не требует затрат электроэнергии на переключение электромагнитного клапана, управляющего УК.

Предлагаемое устройство представлено на фиг. 1.

Устройство содержит: два идентичных последовательно установленных первичных частотных струйных преобразователей ПЧСП 1 и ПЧСП 2. Вход ПЧСП 1 соединен с входной полостью СДР, выход ПЧСП 2 соединен с выходной полостью СДР, параллельно ПЧСП 1 установлен УК 3, перепускное отверстие которого регулируется (закрывается) мембраной 4 с жестким центром 5. Отверстие может быть выполнено в корпусе и перекрываться мембраной (как показано на фиг. 1), а может быть выполнено в жестком центре мембраны и перекрываться при его приближении к корпусу. Управляющие полости мембраны 4 - полость управления открытием УК 3 и полость управления закрытием УК 3, соединены со входом и выходом первичного частотного струйного преобразователя, соответственно. В управляющей полости закрытия УК 3 установлена пружина 6, закрывающая УК 3 при малых управляющих перепадах (при отсутствии расходах через СДР). Параллельно ПЧСП 2 установлено СУ 7. Жиклер 8 может быть введен для повышения устойчивости работы УК 3.

Обработка сигналов ПЧСП производится дополнительным устройством, например электронным блоком, на фиг. 1 не показанным.

СРД работает следующим образом.

При отсутствии расхода через устройство, перепад давлений на СДР (и на мембране 4) равен нулю. УК 3 под действием пружины 6 закрыт. Для вычисления величины расхода по сигналам ПЧСП могут использоваться зависимости, приведенные далее.

На первом этапе работы СДР (F_УК=0) рабочая среда, расход которой измеряется, проходит через СДР, состоящий из двух последовательно установленных идентичных ПЧСП 1 и ПЧСП 2, имеющих идентичные переходные характеристики

где:

Q_ПЧСП - расход через ПЧСП;

f - частота выходного сигнала ПЧСП,

q - величина градуировочного коэффициента ПЧСП.

При оценке степени снижения давления на СДР, выполненном согласно предложенной полезной модели, относительно СДР выполненного на одном первичном частотном струйном преобразователе, будем рассматривать ПЧСП 1, УК 3, ПЧСП 2, СУ 7, как местные сопротивления, перепад давлений на которых пропорционален квадрату среднерасходной скорости или квадрату расхода деленного на проходную площадь:

На рассматриваемом первом этапе работы СДР (при закрытом УК) имеем площади:

F₁=F_ПЧСП1+F_УК и при закрытом УК (F_УК=0) F_{1_0}=F_ПЧСП1+F_УК=F_ПЧСП1

F₂=F_ПЧСП2+F_СУ

В этом случае (F_УК=0) площадь F₂ больше, например, в n раз площади F₁

F₂=n*F₁=n*F_ПЧСП1

здесь n - коэффициент, показывающий во сколько раз F₂=F_ПЧСП2+F_СУ больше F_{1_0}=F_ПЧСП1.

В данном случае (F₂=n*F₁) для перепадов ΔР₁ и ΔР₂ на ПЧСП 1 и на ПЧСП 2 согласно формуле (2) имеем

При расходе через СДР: Q_СДР=Q_ПЧСП1=Q_MIN,

здесь Q_MIN - граница нижнего рабочего диапазона расхода ПЧСП 1, при котором ПЧСП 1 формирует выходной сигнал в виде пульсаций давления с частотой f_MIN. При этом имеем перепад давлений на ПЧСП 1

ΔР₁=ΔР_ПЧСП1=ΔP_MIN - перепад давлений на ПЧСП 1 при Q_ПЧСП1=Q_MIN, соответствующий минимальному рабочему перепаду на ПЧСП.

При этом перепад давлений на ПЧСП 2

ΔР₂=ΔР₁/n²=ΔP_MIN/n²

и перепад на СДР:

ΔР_{СДРMIN 1}=ΔР₁+ΔР₂=(1+1/n²)*ΔP_MIN.

Назовем ΔР_СДРMIN1 первым определяющим перепадом на СДР (минимальным перепадом, соответствующим нижнему пределу диапазона измерения расхода СДР).

При дальнейшем увеличении расхода через СДР до Q_СДРMAX1=Q_MAX=n*Q_MIN, перепады на СДР, на ПЧСП 1 и ПЧСП 2 будут увеличиваться до

ΔР_СДPMAX ₁=(n²+1)*ΔP_MIN=ΔР₁+ΔР₂=(1+1/n²)*ΔР_МАХ,

ΔР₁=ΔP_MAX и

ΔР₂=ΔР_1*(1/n²)=ΔР_МАХ*(1/n²)=ΔP_MIN.

Назовем ΔР_СДРMAX1 вторым определяющим перепадом на СДР (перепадом, при котором на ПЧСП 2 образуется перепад давлений, достаточный для устойчивой работы ПЧСП 2).

Видно, что на первом этапе работы СДР на ПЧСП 1 имеется достаточный перепад давлений для работы ПЧСП 1, поэтому выходной частотный сигнал f₁ с ПЧСП 1 можно использовать для определения расхода через СДР по формуле:

Q_СДР=Q_ПЧСП1=q₁*f₁=q*f₁

где:

Q_СДР - величина расхода через СДР;

Q_ПЧСП1 - величина расхода через ПЧСП 1;

q₁=q - величина градуировочного коэффициента ПЧСП 1;

q - величина градуировочного коэффициента ПЧСП;

f₁ - частота выходного сигнала ПЧСП 1.

При дальнейшем увеличении расхода через СДР имеет место второй этап работы СДР.

Второй этап работы СДР начинается с достижения перепада давлений ΔР₂ на ПЧСП 2 равного ΔP_MIN (при достижении перепада давлений ΔР₁ на ПЧСП 1 равного ΔP_MAX. При дальнейшем увеличении расхода через СДР перепад на ПЧСП 2 будет увеличиваться и будет достаточным для устойчивой работы ПЧСП 2. Поэтому, на втором этапе сигнал ПЧСП 2 используется для определения расхода через СДР. Так как параллельно ПЧСП 2 установлено СУ 7, увеличивающее проходную площадь местного сопротивления, состоящего из ПЧСП 2 и СУ 7, относительно проходной площади ПЧСП 2 в n раз, то для определения расхода через СДР (на втором этапе) имеем зависимость:

Q_СДР=Q_ПЧСП2+Q_СУ=q₂*f₂=n*q*f₂

где:

Q_СДР - величина расхода через СДР;

Q_ПЧСП2 - величина расхода через ПЧСП 2;

q₂ - величина градуировочного коэффициента ПЧСП 2 с параллельно подключенным СУ 7, на втором этапе его работы;

f₂ - частота выходного сигнала ПЧСП 2;

n - коэффициент, учитывающий увеличение величины измеряемого расхода при параллельном подсоединении к ПЧСП 2 сужающего устройства СУ 7, увеличивающего проходную площадь ПЧСП 2 с СУ 7 в n раз, относительно ПЧСП.

Поскольку на втором этапе для определения расхода через СДР используется сигнал с ПЧСП 2, то для снижения перепада давлений на СДР целесообразно уменьшить перепад давлений (потери давления) на ПЧСП 1 (сигнал с которого для определения расхода на втором этапе не используется). Это достигается за счет открытия УК 3. При этом через ПЧСП 1 будет проходить только часть расхода проходящего через СДР, перепад давлений на ПЧСП 1 уменьшится. Из вышеизложенного понятно, что чем больше площадь УК в открытом положении (чем больше m), тем меньше перепад давлений на ПЧСП 1. При этом частота выходного сигнала ПЧСП 1 будет соответствовать меньшему расходу, чем расход через СДР.

Поэтому на первом и втором этапах в качестве выходного сигнала СДР берется (на первом этапе) выходной сигнал ПЧСП 1 и (на втором этапе) ПЧСП 2 - тот, который соответствует большей величине расхода Q. Выбор выходного сигнала f₁ (с ПЧСП 1) или f₂ (с ПЧСП 2), по которому следует определять Q_СДР, равный q*f₁ или n*q*f₂, осуществляется в селекторе, который на фиг. 1 не показан, который входит в состав электронного блока.

Как показано на фиг. 1 перемещение жесткого центра 5 мембраны 4 клапана УК 3 осуществляется от полностью закрытого положения (при перепадах: на ПЧСП 1 - от ΔP_MIN (в начале первого этапа) до n²*ΔP_MIN=ΔP_MAX (в конце первого этапа, в котором перепад на ПЧСП 1 равен перепаду на ПЧСП 1 в начале второго этапа) и далее на втором этапе до полностью открытого положения УК 3. При этом расход через ПЧСП 1 и ПЧСП 2 изменяется от Q_MIN до Q_СДРMAX1=Q_ПЧСП2MAX=Q_MAX=n*Q_MIN и при дальнейшем увеличении расхода через СДР, например в n раз, до

Q_СДРMAX2=n*Q_СДРMAX1

С учетом расхода через СУ имеем

Q_СДРMAX2=n*Q_СДРMAX1=n*Q_ПЧСП2MAX=n*Q_MAX=n*n*Q_MIN (видим, что при этом имеем превышение расхода через СДР на первом этапе в n раз). При этом, с целью снижения перепада на СДР мы можем увеличить площадь F₁ (открывая УК подключенный параллельно ПЧСЧ 1). Тогда при F₁=m*F₂, при максимальном расходе через СДР, при перепаде на ПЧСП 2

ΔР₂=ΔP_MAX, будем иметь перепад ΔР₁ на ПЧСЧ 1

ΔР₁=ΔР₂/m²=ΔP_MAX/m²=ΔP_MIN*n²/m²

и перепад на СДР=ΔР_СДPMAX ₂

ΔР_СДPMAX ₂=ΔР₁+ΔР₂=(1/m²+1)*ΔP_MAX=(1/m²+1)*n²*ΔP_MIN.

Отметим, что возможно выполнение устройства на фиг. 1 с перемещением жесткого центра 5 мембраны 4 клапана УК 3 от полностью закрытого положения (при перепадах на ПЧСП 2 меньших - равных ΔP_MIN) до полностью открытого положения (при перепадах на ПЧСП 2 достигающих и превышающих ΔP_MAX путем соединения управляющей полости мембраны 4 на открытие УК 3 с полостью на входе в ПЧСП 2, а полости на закрытие УК 3 с полостью на выходе ПЧСП 2, с соответствующим подбором пружины 6). Такое подсоединение УК к ПЧСП 2 так же снижает перепад на СДР при больших расходах.

Таким образом, СДР согласно предложенной полезной модели при изменении расхода через СДР от Q_MIN до Q_СДРMAX2=n*Q_MAX=n*n*Q_MIN (при диапазоне измерения расходов n²), имеет изменение перепада на СДР от ΔР_{СДРMIN 1}=(1+1/n²)*ΔP_MIN на минимальном расходе до ΔР_СДРMAX2=(1/m²+1)*n²*ΔP_MIN на максимальном расходе.

При рассмотренном диапазоне изменения расхода СДР без УК имеет диапазон изменения перепада от ΔP_MIN до n⁴*Q_MIN.

Здесь параметр

n = отношение площадей ПЧСП 2 с СУ к площади ПЧСП1, определяет степень увеличения диапазона измерения расхода у СДР по предлагаемой полезной модели,

m = отношение площадей ПЧСП 1 с УК к ПЧСП 2 с СУ, определяет степень понижения падания давления на СДР (за счет снижения на втором этапе работы СДР перепада давлений на ПЧСП 1, сигнал с которого на втором этапе для измерения расхода не используется).

Следует отметить, что при рассмотрении возможной степени снижения перепада на СДР, рассматривался частный случай с F₂=n*F₁, при изменении расхода через СДР на первом этапе в диапазоне (1…n), хотя возможно на первом этапе рассматривать диапазон (1…n1) при, например, n1<n (переходить на замер расхода Q на ПЧСП 2 при Q<Q_MAX), а на втором этапе иметь диапазон измерения расходов n2<n или n2>n (имея при этом соответствующее уменьшение или увеличение перепада на СДР, отличное от представленного. Случай n1=n2=n по нашему мнению является оптимальным (позволяющем получить максимальное снижение перепада на СДР). Точно так же, специалисту в области струйной техники понятно, что величина m может быть любой. Чем больше m, тем меньше перепад на СДР. Но так же ясно, что большие m связаны с большими проходными сечениями УК, а это увеличение габаритов и веса СДР. Оптимальные значения m возможно лежат в диапазоне m=(n/3…n) для n>4 (зависит от характеристик ПЧСП, которые в данном случае подробно не рассматриваются). Так же в данной заявке не рассматривался случай использование ПЧСП 2 не идентичного ПЧСП 1. В этом случае профили ПЧСП 2 могут быть выполнены в масштабе n^0,5. Недостаток такого выполнения ПЧСП 2 (ПЧСП 1 с размерами увеличенными в n^0,5 раз) в том, что для каждого случая с отличными n придется разрабатывать новый блок, который будет работать на частотах f₂ отличных от f₁ ПЧСП 1, что потребует вводить какие-то коррективы в электронный блок обработки информации, выпускать конструкторскую документацию на новый блок, проводить доводочные работы по метрологическим параметрам нового ПЧСП 2.

Следовательно, применяя предложенный СДР, в рассмотренном диапазоне измерения расходов (от Q_MIN до n*Q_MIN) имеем снижение максимального перепада на СДР, относительно СДР, построенного на одном первичном частотном струйном преобразователе, в K=n²/(1/m²+1) раз без существенного усложнения системы подключения-отключения УК, не ухудшая энергетические показатели (без дополнительных затрат электроэнергии на питание электромагнитного клапана при подключении - отключении УК).

Claims

Струйный датчик расхода (СДР), содержащий первичный частотный струйный преобразователь (ПЧСП 1), выполненный в виде струйного переключателя, вход которого соединен с входной полостью СДР, замкнутого отрицательными обратными связями, преобразователь пульсации давления в выходных каналах струйного переключателя в выходной электрический сигнал, причем параллельно первичному частотному струйному преобразователю установлен управляемый клапан (УК), отличающийся тем, что последовательно с ПЧСП 1 установлен дополнительный первичный частотный струйный преобразователь (ПЧСП 2), идентичный ПЧСП 1, вход ПЧСП 2 соединен с выходом ПЧСП 1, а выход с выходной полостью СДР, и параллельно ПЧСП 2 установлено сужающее устройство (СУ), причем управляемый клапан под действием пружины при отсутствии расхода через СДР закрыт и при работе СДР управляемый клапан открывается под действием перепада давлений на первичном частотном струйном преобразователе.