RU2351900C2

RU2351900C2 - Rate-of-flow indicator of liquid mediums in pipelines

Info

Publication number: RU2351900C2
Application number: RU2006128690/28A
Authority: RU
Inventors: Алексей Федорович Писарев (RU); Алексей Федорович Писарев; Николай Владимирович Тингаев (RU); Николай Владимирович Тингаев; Валерий Владимирович Трофимов (RU); Валерий Владимирович Трофимов; Григорий Викторович Цепилов (RU); Григорий Викторович Цепилов
Original assignee: Алексей Федорович Писарев; Николай Владимирович Тингаев; Валерий Владимирович Трофимов; Григорий Викторович Цепилов
Priority date: 2006-08-07
Filing date: 2006-08-07
Publication date: 2009-04-10
Also published as: RU2006128690A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: device contains touch device with data unit of electrical signals and electronic block of signals reception and processing. The touch device is executed in the form of elastic incurvated blade with one extremity rigidly strengthened on the pipeline wall orthogonally its surface. The frontal and back surfaces of the blade have the strain-gauge indicators fixed on them, in particular, electrical resistance; their signals are included in measuring full-wave circuit.

EFFECT: increase of measurement results, construction simplification, expansion of functionality.

1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике по расходомерам, а именно к способам и устройствам измерения объема расхода жидких сред в напорных трубопроводах круглого сечения.The invention relates to measuring equipment for flow meters, and in particular to methods and devices for measuring the volume of flow of liquid media in pressure pipelines of circular cross section.

Хорошо известен класс расходомеров ультразвукового типа, основанный на эффекте Доплера, а также класс на основе метода бокового сноса узкого звукового луча. При доплеровском методе звуковая волна, распространяясь по или против течения жидкости на заданном отрезке трубы, приобретает временной сдвиг, а также фазовый и частотный набеги, которые пропорциональны скорости потока. Из этих данных расчетно определяется объемный расход жидкости. В случае использования второго указанного ультразвукового метода, скорость потока находится по величине бокового сноса звукового луча за время поперечного прохождения через слой движущейся жидкости.The class of ultrasonic flow meters based on the Doppler effect is well known, as well as the class based on the lateral drift method of a narrow sound beam. In the Doppler method, a sound wave propagating along or against a fluid flow in a given section of a pipe acquires a time shift, as well as phase and frequency incursions, which are proportional to the flow velocity. From these data, the volumetric flow rate of the liquid is calculated. In the case of using the second indicated ultrasonic method, the flow rate is determined by the lateral drift of the sound beam during the transverse passage through the layer of moving fluid.

К наиболее важным достоинствам ультразвуковых расходомеров относится возможность использования их для любых жидкостей, в том числе химически агрессивных. Недостатком таких расходомеров является сложность измерительной системы, что связано, главным образом, с малостью отношения v/c, где v - скорость потока жидкости, с - скорость звука в ней.The most important advantages of ultrasonic flow meters include the possibility of using them for any liquids, including chemically aggressive ones. The disadvantage of such flowmeters is the complexity of the measuring system, which is mainly due to the smallness of the v / c ratio, where v is the velocity of the fluid flow, c is the speed of sound in it.

Известен также класс электромагнитных (индукционных) расходомеров, работающих на основе использования эффекта магнитогидродинамической индукции электрических сигналов, которые возникают при движении проводящей жидкости в трубопроводе поперек направления магнитного поля. При этом сигнальные электроды располагаются на противоположных концах диаметра трубы. Величина сигнала ЭДС пропорциональна скорости жидкости и, следовательно, ее расходу. Расходомеры данного типа работают как на основе постоянного магнитного поля, так и переменного, в частности, импульсного поля. Важным положительным качеством расходомеров данного типа является возможность их работы в различных жидких средах, обладающих даже слабой электропроводностью. Однако этим устройствам присущи принципиальные недостатки, а именно возникновение в них электрохимических процессов на электродах, приводящих к поляризации электродов и, как следствие, искажению сигналов. Вместе с тем, при работе в переменных и импульсных магнитных полях индуцируются всевозможные электромагнитные наводки в электрических цепях измерительного устройства, составляющие трудно устранимые помехи при регистрации полезных сигналов.There is also a class of electromagnetic (induction) flow meters operating on the basis of using the effect of magnetohydrodynamic induction of electrical signals that arise when a conductive fluid moves in a pipeline across the direction of a magnetic field. In this case, the signal electrodes are located at opposite ends of the pipe diameter. The magnitude of the EMF signal is proportional to the speed of the liquid and, therefore, its flow rate. Flow meters of this type operate both on the basis of a constant magnetic field and an alternating, in particular, pulsed, field. An important positive quality of flow meters of this type is the possibility of their operation in various liquid media having even low electrical conductivity. However, these devices are characterized by fundamental shortcomings, namely, the occurrence of electrochemical processes in them on the electrodes, leading to polarization of the electrodes and, as a consequence, distortion of the signals. At the same time, when working in variable and pulsed magnetic fields, all kinds of electromagnetic pickups are induced in the electrical circuits of the measuring device, which constitute difficult to eliminate interference when registering useful signals.

Известен также тип вихревых расходомеров для напорных трубопроводов, принцип действия которых основывается на явлении вихревого следа, известного как дорожка Кармана. Когда жидкость обтекает тело, поток разделяется и образует периодические завихрения, которые следуют попеременно позади вдоль каждой стороны тела обтекания. Эти вихри являются причиной возникновения пульсации давления, которые образуют на крыле сенсора, установленного позади вихреобразователя, акустические сигналы. Последние улавливаются пьезоэлектрическим датчиком. Такие расходомеры отличаются универсальностью и высокой надежностью в работе. К этому типу расходомеров относится, в частности, расходомер «ЭМИС-ВИХРЬ» серии ЭВ-200, распространяемый в торговой сети, который является расходомером со съемом звукового сигнала пьезодатчиком. Данный расходомер принимается ниже за прототип. Недостатками данного прототипа расходомера являются:Also known is the type of vortex flow meters for pressure pipelines, the principle of which is based on the phenomenon of a vortex wake, known as the Karman path. When the fluid flows around the body, the flow separates and forms periodic turbulences that alternate behind each side of the flow body. These vortices are the cause of pressure pulsations, which form acoustic signals on the wing of the sensor installed behind the vortex generator. The latter are captured by a piezoelectric sensor. Such flowmeters are versatile and highly reliable. This type of flow meter includes, in particular, the EMIS-WHIRLM flowmeter of the EV-200 series, distributed in the distribution network, which is a flow meter with a sound pick-up by a piezo sensor. This flow meter is taken below for the prototype. The disadvantages of this prototype of the flow meter are:

- высокая чувствительность от вязкости среды, особенно жидкости, процесса генерации периодических вихрей на вихреобразователе, что приводит к систематическому «уводу» частоты пульсаций с изменением температуры. По этой причине возникает трудно устранимая погрешность измерения скорости среды и, следовательно, объема расхода;- high sensitivity from the viscosity of the medium, especially liquid, the process of generating periodic vortices on the vortex generator, which leads to a systematic "withdrawal" of the pulsation frequency with temperature. For this reason, it is difficult to eliminate the error in measuring the speed of the medium and, therefore, the volume of flow

- сильная зависимость частоты пульсаций давления от загрязнения поверхности вихреобразователя в случае присутствия в измеряемой среде различных адгезионных примесей. Этот фактор также значительно искажает результаты измерений;- a strong dependence of the pressure pulsation frequency on the contamination of the surface of the vortex generator in the presence of various adhesive impurities in the measured medium. This factor also significantly distorts the measurement results;

- высокая чувствительность пьезодатчиков в зоне измерения к внешним вибрациям, не связанным с регулярной пульсацией среды. Для фильтрации подобных помех требуются сложные методы корреляционной обработки сигналов или оснащение измерительной аппаратуры дополнительными контрольными приборами.- high sensitivity of the piezoelectric sensors in the measurement zone to external vibrations that are not associated with regular pulsation of the medium. Filtering such interference requires sophisticated methods of correlation signal processing or equipping measuring equipment with additional monitoring devices.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков прототипа путем изменения принципа измерения фактора динамического давления текущей среды на чувствительный элемент.The aim of the invention is to remedy these disadvantages of the prototype by changing the principle of measuring the dynamic pressure factor of the current medium on a sensitive element.

Целью изобретения является также упрощение конструкции измерительного узла расходомера и расширение спектра измеряемых текучих сред, в частности газовых и сыпучих сред.The aim of the invention is also to simplify the design of the measuring unit of the flow meter and expanding the range of measured fluids, in particular gas and bulk media.

Поставленная цель достигается тем, что в качестве измерительного элемента динамического напора текущей среды используется упругоизгибаемая лопасть в широком интервале углов, интегральный изгиб которой пропорционален общему расходу среды. В этом варианте отпадает необходимость в формирователе вихрей, а также в применении импульсных пьезодатчиков. При этом для измерения интегрального прогиба лопасти используются тензодатчики, например типа электрического сопротивления, скрепленные с поверхностью лопасти. Конструкция же лопасти выполняется с учетом получения оптимальной упругой ее гибкости в рамках задаваемого интегрального прогиба. Вместе с тем в конструкцию лопасти закладывается принцип схода с нее текущей среды с минимальной турбулентностью.This goal is achieved by the fact that as a measuring element of the dynamic pressure of the current medium, an elastic-flexible blade is used in a wide range of angles, the integral bending of which is proportional to the total flow rate of the medium. In this embodiment, there is no need for a vortex shaper, as well as the use of pulsed piezoelectric sensors. Moreover, to measure the integral deflection of the blade, strain gauges are used, for example, of the type of electrical resistance, bonded to the surface of the blade. The design of the blade is carried out taking into account obtaining its optimal elastic flexibility within the given integral deflection. At the same time, the principle of vanishing of the current medium with minimal turbulence is laid in the blade structure.

Эти два фактора приводят к тому, что интегральный прогиб лопасти «отслеживает» динамику текущей среды, т.е. ее скорость и общий объем расхода, а для измерения интегрально прогиба используются тензорезисторы, скрепленные конструктивно с поверхностью лопасти.These two factors lead to the fact that the integral deflection of the blade “tracks” the dynamics of the current medium, i.e. its speed and total flow rate, and strain gauges are used structurally fastened to the surface of the blade to measure the integral deflection.

Схема расходомера представлена на чертеже.The flowmeter diagram is shown in the drawing.

Расходомер представляет собой лопасть 1 из упругогибкого материала длиной L. Геометрия лопасти выбирается в зависимости от типа протекаемой среды - жидкость, газ, а также динамики течения. На фронтальной и тыльной (по отношению к потоку) сторонах лопасти находятся тензорезисторы 2, измеряющие интегральную деформацию лопасти. При этом у фронтальных тензорезисторов в момент деформации лопасти электрическое сопротивление увеличивается, а у тыльных уменьшается. Тензорезисторы включены в мостовую электрическую схему, что обеспечивает высокую чувствительность и температурную стабилизацию параметров измерительной цепи. При наклейке двух тензорезисторов вдоль продольной оси лопасти измеряемое напряжение вдвое повышается, что поднимает чувствительность измерительной цепи. Температурное же изменение сопротивления одного тензорезистора компенсируется изменением сопротивления другого тензорезистора. Сигналы от тензорезисторов поступают в электронный блок приема и обработки сигналов 3. Таким образом, по изменению сопротивления тензорезисторов определяются средняя скорость потока среды V и ее расход.The flow meter is a vane 1 made of an elastic flexible material with a length L. The geometry of the vane is selected depending on the type of flowing medium — liquid, gas, and also flow dynamics. On the front and back (relative to the flow) sides of the blade are strain gauges 2, measuring the integral deformation of the blade. In this case, the front resistance strain gauges at the time of deformation of the blade, the electrical resistance increases, and the rear decreases. Strain gages are included in the bridge electrical circuit, which provides high sensitivity and temperature stabilization of the parameters of the measuring circuit. When sticking two strain gages along the longitudinal axis of the blade, the measured voltage is doubled, which increases the sensitivity of the measuring circuit. The temperature change in the resistance of one strain gauge is compensated by a change in the resistance of another strain gauge. The signals from the strain gauges are received in the electronic unit for receiving and processing signals 3. Thus, by changing the resistance of the strain gauges, the average medium flow velocity V and its flow rate are determined.

Расходомер функционирует следующим образом.The flow meter operates as follows.

При изменении скорости потока V меняется гидродинамическое воздействие потока на измерительную лопасть 1. При этом изменяется интегральная величина деформации лопасти, а также деформация тензорезисторов 2, прикрепленных к лопасти, и, следовательно, изменяется балансировка измерительного моста. Сигналы от тензорезисторов поступают в электронный блок 3, где по заданному алгоритму вычисляется объем расхода жидкости.When the flow velocity V changes, the hydrodynamic effect of the flow on the measuring blade 1 changes. In this case, the integral value of the deformation of the blade, as well as the strain of the strain gauges 2 attached to the blade, change, and, therefore, the balancing of the measuring bridge changes. The signals from the strain gauges enter the electronic unit 3, where the volume flow rate is calculated according to a given algorithm.

Для проверки работоспособности предлагаемого устройства измерения скорости и расхода текущей среды методом компьютерного моделирования был проведен эксперимент, в котором определялась деформация лопасти, помещенной в поток воды, протекающей по трубопроводу. Полученные в данном эксперименте величины упругих изгибов лопасти соответственно сопрягались с фольговыми электрическими тензодатчиками типа KFG-10-120. Численный эксперимент показал высокую чувствительность предлагаемого устройства к измерению расхода жидкой среды в пределах скорости потока 0,1-3 м/с, принятого в качестве примера.To test the operability of the proposed device for measuring the speed and flow rate of a current medium by computer simulation, an experiment was conducted in which the deformation of a blade placed in a stream of water flowing through a pipeline was determined. Obtained in this experiment, the values of the elastic bending of the blades were respectively mated with foil electric strain gauges of the KFG-10-120 type. A numerical experiment showed the high sensitivity of the proposed device to measure the flow rate of a liquid medium within the flow velocity of 0.1-3 m / s, taken as an example.

Вместе с тем, в стендовых опытах была определена наиболее оптимальная геометрия лопасти применительно к заданному интервалу скорости потока. Выбран тип тензодатчика динамической деформации, совместимый с геометрией лопасти.At the same time, in bench experiments, the most optimal blade geometry was determined in relation to a given interval of flow velocity. A dynamic strain gauge type compatible with blade geometry has been selected.

Данный вариант осуществления изобретения не исключает иных вариантов устройства расходомера в пределах формулы изобретения.This embodiment of the invention does not exclude other flowmeter device variations within the scope of the claims.

Таким образом, изобретение в техническом и функциональном отношении значительно упростилось относительно прототипа. Изобретение приобрело также большую надежность в работе, простоту эксплуатации и расширенный динамический диапазон точного измерения расхода протекающих сред.Thus, the invention is technically and functionally significantly simplified relative to the prototype. The invention also gained great reliability, ease of use and the extended dynamic range of accurate flow measurement of flowing media.

Claims

A liquid flow meter in pipelines containing a sensor element with an electric signal sensor and an electronic signal receiving and processing unit, characterized in that the sensor element is made in the form of an elastic bend blade, one end of which is rigidly fixed to the pipeline wall orthogonally to its surface, and on the front and back the surfaces of the blades are fixed load cells, in particular, electrical resistance, the signals from which are included in the bridge measurement circuit.