Вихровий щільномір природного газу

Изобретение относится к области приборостроения, а именно, к устройствам для измерения расхода жидких и газообразных сред и может быть использовано для нормирования, контроля и учета количества газа на компрессорных станциях, газоперекачивающих агрегатах в процессе эксплуатации и на замерных узлах магистрального газопровода. Разработка и создание плотномеров предусматривает повышение точности и надежности измерения плотности газа. Измерение плотности газа при рабочих параметрах потока позволяет существенно упростить конструкции газомеров, так как вместо трех параметров (температура, давление и сжимаемость газа) достаточно измерять и учитывать один - плотность газа. Известны расходомеры, например, вихревой расходомер с телом обтекания и волоконнооптическим преобразователем частоты пульсацией вихревой в "дорожке Кармана" в электрический сигнал (заявка Франции №2673716, кл. G01F1/32, 1/66, опубл. 11.09.92). Однако такое устройство предназначено для измерения объемного расхода, и не применяется для измерения плотности массового расхода газа. Известны вихревые расходомеры, содержащие генератор вихрей, установленный в канале, и чувстви тельный элемент. Объемный расход определяется по частоте пульсации вихрей в "дорожке Кармана" в виде ЭДС, генерируемой чувствительным элементом. Массовый расход определяется по совокупности данных о частоте и амплитуде переменной ЭДС (патент США №5076105, кл. G01F1/32, опубл. 31.12.91). Однако в таких приборах возникают проблемы изоляции электрической схемы (взрывозащищенность), связанные с требованием безопасности. Кроме того, определение плотности (массового расхода) по регистрации частоты и амплитуды на частоте возбуждения Струхаля в "дорожке Кармана" вдали от резонанса не позволяет получить необходимую точность замера расхода газа. Известны устройства для измерения плотности газа, основанные на использовании инерционного сопротивления, которое оказывает исследуемая среда перемещенного какого-либо тела в ней (патент Англии №1542564, кл. G01N9/00, опубл. 02.11.79). В вибрационном плотномере перемещаемым телом является чувствительный элемент, выполненный в виде вибрирующи х в исследуемой среде металлических пластин или полого тела (обычно цилиндра), контактирующего наружной или внутренней поверхностью с исследуемой средой. При подаче питания на катушку возбуждения внутренняя магнитострикционная трубка вызывает колебания пластины или полого цилиндра на собственной частоте (резонансные колебания). Полученный сигнал через усилитель заряда, полосовой фильтр, плату АЦП (аналого-цифровой преобразователь) поступает на компьютер, где по измеренной частоте и известному объему присоединенной массы определяют плотность. Однако в таких приборах применяется искусственное возбуждение резонансных колебаний и пьезоэлектрический датчик колебаний, непригодный для работы при повышенной температуре из-за ухода частоты, что снижает точность измерений. Точность измерений снижается еще и за счет того, что плотность металла и газа несоизмеримы, и при изменении плотности среды присоединенная масса газа незначительно изменяет собственную частоту колебаний чувствительного элемента. В основу изобретения поставлена задача усовершенствовать конструкцию плотномера, повысить точность, исключив пропуски и ошибки в определении расхода газа. Поставленная задача решается тем, что в турбулизаторе, помещенном в корпусе плотномера, выполнены отверстия в серединной плоскости перпендикулярной оси турбулизатора со стороны, противоположной набегающему потоку газа, под углом к горизонтальной оси. Турбулизатор установлен в корпусе на упруги х элементах и выполнен из светопроводящего материала, взаимодействующего с закрепленными в корпусе фотоэлементами. Общие признаки прототипа и заявляемого объекта: турбулизатор выполнен из полого тела, имеет чувстви тельный элемент регистрации пульсации потока газа, ряд преобразователей сигнала (усилитель заряда, полосовой фильтр и плату АЦП (аналогоцифровой преобразователь) и компьютер). На фиг.1 показана схема плотномера; на фиг.2 - разрез А - А на фиг.1. Плотномер содержит корпус 1 с фланцами для крепления. Внутри корпуса 1 на упругих элементах 2 и 3 закреплен подвижный генератор вихрей (турбулизатор) 4 в виде полого цилиндра, выполненный из светопроводящего материала, например, стекловолокна. Турбулизатор 4 имеет два отверстия 5 и 6, расположенных в серединной плоскости, перпендикулярной оси турбулизатора, со стороны, противоположной набегающему потоку, под углом к горизонтальной оси. Упругие элементы 2 и 3 снабжены регулировочными болтами 7. В корпус 1 встроены неподвижные стекловолоконные светопроводящие каналы 8, соединенные с источником света 9 и каналы 10, связанные с фотоэлементом 11, усилителем заряда 12 и через полосовой фильтр 13, плату АЦП 14 и компьютер 15 - с устройством для ручного ввода 16. Компьютер 15 соединен с блоком результата спектрального анализа 17, блоком определения частоты вихрей и собственной (резонансной)частоты колебаний турбулизатора 18, а также с блоком определения плотности, объемного и массового расхода газа 19. Плотномер имеет также устройство автоматического управления 20. Работа плотномера природного газа происходит следующим образом. Поток газа, срываясь (турбулизуясь) с турбулизатора 4, создает "дорожку Кармана - Рубаха" в виде пульсации давления, через отверстия 5 и 6 заполняет внутреннюю полость турбулизатора 4 и возбуждает колебания турбулизатора 4 на упруги х элементах 2 и 3. Колебания потока и турбулизатора 4 регистрируются волоконнооптическим преобразователем с фотоэлементом 11, путем измерения затухания света, распространяющегося от источника света 9, через неподвижный светопроводящий канал 8. Электрический сигнал фотоэлемента 11 поступает на усилитель заряда 12, полосовой фильтр 13, плату АЦП 14 и компьютер 15. В компьютере 15 происходит обработка измеренного сигнала в виде спектрального (преобразование Фурье) анализа. Данные поступают в блок формирования амплитудно-частотной характеристики 17, затем в блок определения частоты срыва вихрей и собственной частоты колебаний турбулизатора 18, где они сравниваются с эталоном. Если условие нарушено, регулируют упругие элементы 2 и 3 болтами 7 до получения эффективного значения. После получения эффективного значения частот, данные поступают в блок вычисления расходов 19, где по частоте срыва вихрей, вычисляется объемный расход, а по собственной (резонансной) частоте колебаний турбулизатора массовый расход и плотность транспортируемого газа как отношение массового расхода к объемному. Результат отображается на мониторе компьютера 15. Для проведения лабораторных и промышленных испытаний, собственная частота колебаний турбулизатора 4 на упругих элементах 2 и 3 всегда находится в резонансе с частотой срыва Кармана. Это достигается регулировкой жесткости упругих элементов (кольцевых пружин) 2 и 3 болтами 7. Для проведения лабораторных и промышленных испытаний был изготовлен прибор с турбулизатором в виде цилиндра из стекловолокна. Такая конструкция позволяет реализовать одновременно четыре функции; генератора вихрей; плотномера, работающего по принципу изменения собственной частоты колебаний присоединенной массой газа; источника возбуждения собственной частоты за счет регулировки жесткости и введения системы в резонанс с частотой срыва вихрей (частоты Струхаля в "дорожке Кармана"); датчика частоты колебаний путем регистрации затухания света в измерительном стекловолокне (световоде) относительно эталонного. Кроме того, так как плотность стекловолокна значительно меньше плотности металла и соизмерима с плотностью исследуемой среды, то повышается точность измерений плотности. Настройка частоты Струхаля на резонансную частоту собственных колебаний осуществляется регулировкой жесткости упругого элемента (кольцевой пружины), на которую опирается турбулизатор. Когда частота срыва вихрей близка к собственной частоте механической системы, происходит захват частоты срыва по отношению к собственной частоте, и возникают колебания с большими амплитудами. Другая особенность заключается в том, что возникающие колебания турбулизатора на упругом элементе оказывают влияние на процесс срыва вихрей. При этом существенно усиливается циркуляция вихрей и донное подсасывание, значительно возрастает нестационарная подъемная сила. Для заполнения полости турбулизатора исследуемой средой на противоположной набегающему потоку газа стороне турбулизатора находятся два отверстия под углом, равным 75° ± 2° от горизонтальной оси. Такой угол установки отверстий обусловлен тем, что в этих точках пристеночные пульсации газа максимальны и способствуют наиболее быстрому заполнению полости. Для изменения жесткости упругого элемента имеются регулировочные болты, создающие статические усилия и, таким образом, изменяющие упругие свойства кольцевой пружины. Регулировка жесткости может быть осуществлена ручным способом или автоматически. В автоматическом режиме используется электродвигатель и регулятор с обратной связью. Лабораторные испытания плотномера газа проводились на стенде кафедры турбин Харьковского политехнического университета, а промышленные на КС "Дашава" УМГ "Львовтрансгаз" для измерения расхода топливного газа газоперекачивающего агрегата. При проведении испытаний выдерживался прямолинейный участок трубы до турбулизатора, длиной, равной десяти диаметрам трубы. Результаты лабораторных испытаний согласуются с данными измерений расхода газа термоанимометром. Результаты промышленных испытаний согласуются с данными прямого измерения расхода по перепаду давления на дроссельной шайбе.