Спосіб градуювання проточних теплових витратомірів та пристрій для його здійснення

Изобретение относится к приборостроению, в частности, к способам и устройствам для градуировки проточных тепловых расходомеров с местным прогревом стенки трубопровода. Широко известным способом градуировки различных проточных расходомеров, в том числе и тепловых, является способ проливки расходомера на устройстве - статической расходомерной установке [1]. Наиболее близким по достигаемому результату к изобретению является способ градуировки проточного теплового расходомера [2] на статической расходомерной установке [1]. По этому способу в рабочую линию статической рзсходомерной установки устанавливают последовательно соединенные проточный тепловой расходомер калориметрического типа [3], как наиболее точный из всех тепловых расходомеров, и проточный тепловой расходомер с местным прогревом стенки трубопровода [2], включающий в себя изготовленный из теплопроводящего материала отрезок цилиндрического трубопровода с установленными на его наружной стороне корпусами нагревателя и компенсатора, выполненными из теплопроводящего матери;! ι», источник тепловой энергии, установленный в корпусе нагревателя, термопару, измерительный спай которой установлен в корпусе нагревателя между источником тепловой энергии и стенкой трубопровода, а ее свободные концы закреплены в корпусе компенсатора и подключены ко входу усилителя, выход которого подключен ко входу корректирующего делителя напряжения, выполненного в виде последовательно соединенных первого переменного резистора, полупроводникового терморезистора и второго переменного резистора, при этом полупроводниковый терморезистор установлен в корпусе компенсатора, причем прогреваемая зона стенки под корпусом нагревателя, корпуса нагревателя и компенсатора покрыты слоем теплоизоляции и закрыты защитным кожухом. Градуировку проточного расходомера проводят путем проливки через установку рабочей жидкости с различными объемными расходами Q, при этом каждое создаваемое и градуируемое значение объемного расхода Q жидкости вычисляется по результатам измерения приращения объема ΔV протекающей через расходомер в установившемся (статическом) режиме жидкости за время показания теплового расходомера калориметрического типа при этом используются как для сокращения времени наладки статической расходомерной установки, так и в качестве оценочной градуировочной характеристики теплового расходомера с местным прогревом стенки. Недостатком такого способа и установки, особенно при измерении средних и больших расходов, является необходимость подачи и точного измерений больших приращений объемов Δν (например, при что те хнически сложно и требует больших затрат. Указанный недостаток резко возрастает, если проточный расходомер предназначен для измерения расхода существенно загрязненных, экологически вредных жидкостей или для измерения расхода смесей жидкости с твердыми частицами, т.к. в этом случае градуировка такого расходомера должна проводиться с использованием большого количества существенно загрязненных, экологически вредных жидкостей или смесей жидкостей с твердыми частицами. Целью изобретения является существенное сокращение количества жидкости при градуировке. Заявляемые способ и устройство для градуировки проточного теплового расходомера с местным прогревом стенки трубопровода основаны на следующи х закономерностях теплообмена: при вынужденном движении жидкости, омывающей и охлаждающей прогреваемую подводом тепла стенку, на входе цилиндрического участка трубопровода и регистрации температур на входном прогреваемом и выходном непрогреваемом цилиндрических участках трубопровода устанавливается зависимость разности этих температур от воспроизводимого параметра расходомера (например, от объемного расхода жидкости); при этом коэффициент теплообмена а между стенкой и жидкостью зависит от скорости движения ν этой жидкости вдоль стенки (параллельно стенке) и не зависит от направления движения (в плоскости стенки); соответственно и температура t прогреваемого входного цилиндрического участка трубопровода, функционально связанная с коэффициентом теплообмена а, зависит от скорости движения у этой жидкости и не зависит от направления движения жидкости (в плоскости стенки). Поэтому для тепловых расходомеров с местным прогревом стенки трубопровода рабочее движение жидкости вдоль оси трубы с расходом Q и средней скоростью ν около стенки трубы по направлению оси трубы по заявляемому способу при градуировке заменено на соответствующее вращательное движение жидкости с угловой скоростью ω вокруг оси тр убопровода и такой же окружной скоростью ν = ω 'R около стенки трубы. Поставленная цель достигается тем, что устанавливают цилиндрический участок трубопровода вертикально, приводят жидкость во вращательное движение, фиксируют значение угловой скорости жидкости и используют его в качестве реперной точки воспроизводимого параметра расходомера. Поставленная цель достигается также тем, что в устройство для градуировки проточного теплового расходомера, содержащее тепловой расходомер с местным прогревом стенки, включающий в себя изготовленный из теплопроводящего материала отрезок цилиндрического трубопровода с установленными на его наружной стороне корпусами нагревателя и компенсатора, выполненными из теплопроводящего материала, источник тепловой энергии, установленный в корпусе нагревателя, термопару, измерительный спай которой установлен в корпусе нагревателя между источником тепловой энергии и стенкой трубопровода, а ее свободные концы закреплены в корпусе компенсатора и подключены ко входу усилителя, выход которого подключен ко входу корректирующего делителя напряжения, выполненного в виде последовательно соединенных первого переменного резистора, полупроводникового терморезистора и второго переменного резистора, при этом полупроводниковый терморезистор установлен в корпусе компенсатора, причем прогреваемая зона стенки под корпусом нагревателя, корпуса нагревателя и компенсатора покрыты слоем теплоизоляции и закрыты защитным кожухом, содержащее также задатчик воспроизводимого расхода рабочей жидкости в цилиндрическом участке трубопровода, завихритель и регистрирующее устройство, в него введены пульт управления, электродвигатель с приводным валом, задатчик воспроизводимого расхода выполнен в виде заправочной магистрали, через кран соединённой с отверстием в первой крышке, снабженной подшипником, сливной магистрали, через кран соединенной с первым отверстием во второй крышке, снабженной подшипником, и водомерной трубки, соединенной со вторым отверстием во второй крышке, завихритель выполнен в виде полого ротора с цилиндрической оболочкой, при этом приводной вал установлен вертикально и сопряжен с подшипниками первой и второй крышек, полый ротор с цилиндрической оболочкой закреплен на приводном валу, первая и вторая крышки выполнены с элементами крепления, и регистрирующее устройство выполнено с датчиком и регистратором угловой скорости. Поставленная цель достигается также тем, что с целью повышения точности воспроизведения расхода цилиндрическая оболочка ротора выполнена с сетчатыми ячейками. На чертеже приведена конструктивная и электрическая схема устройства для градуировки проточного теплового расходомера и схема этого расходомера. Градуируемый тепловой расходомер с местным прогревом стенки трубопровода состоит из отрезка цилиндрического трубопровода 1, изготовленного из теплопроводящего материала, корпусов нагревателя 2 и компенсатора 3, изготовленных из теплопроводящего материала и присоединенных к наружной стороне трубопровода; в корпусе нагревателя 2 установлены и закреплены в нем теплопроводящим и электроизолирующим материалом 4 источник 5 тепловой энергии и измерительный спай 6 термопары; в корпусе компенсатора 3 таким же образом установлены и закреплены материалом 4 свободные концы 7 термопары и полупроводниковый терморезистор 8; свободные концы 7 термопары электрически соединены со входом усилителя 9, к выходу которого подключен корректирующий делитель напряжения, состоящий из последовательно соединенных первого переменного резистора 10, полупроводникового терморезистора 8 и второго переменного резистора 11; выходной сигнал расходомера снимается со второго резистора 11. Корпус компенсатора 3 установлен на стенке трубопровода вне зоны прогрева 12, образующейся в стенке около корпуса нагревателя 2. Снаружи трубопровод 1, включая зону прогрева 12, вместе с корпусами нагревателя, компенсатора и размещенными в них элементами покрыт сплошным слоем теплоизоляции 13 и закрыт защитным кожухом 14. Внутри вертикально размещенного отрезка цилиндрического трубопровода 1, диаметром D соосно с ним на первой крышке 17. второй крышке 16, подшипниках 15 и приводном валу 31 установлен полый ротор 18 с цилиндрической оболочкой 19, выполненной с сетчатыми ячейками; между оболочкой 19 и стенкой трубопровода 1 оставлен радиальный зазор d, гарантирующий целостность пограничного слоя; цилиндрическая оболочка 19 полностью перекрывает рабочую зону стенки теплового расходомера, включающую в себя прогретую зону 12 и стенку под корпусом компенсатора 3. Нижняя опора приводного вала 31 уплотнена сальником 20. Приводной вал 31 соединен с выходным валом редуктора 21, входной вал редуктора соединен с двигателем 22, вал двигателя 22 соединен с валом датчика угловой скорости 23 (например, тахогенератором), датчик угловой скорости 23 подключен к регистратору угловой скорости 24 (например, к вольтметру) и к пульту управления 25; двигатель 22 подключен к пульту управления 25. Заправочная магистраль 32 с краном 26 служит для заполнения пространства внутри отрезка трубопровода 1 рабочей жидкостью до уровня 27, превышающего как рабочую зону стенки трубопровода, так и верхний торец ротора 18; высота уровня 27 указывается посредством водомерной трубки 28; сливная магистраль 33 с краном 29 служит для слива рабочей жидкости. Работает устройство следующим образом. Через кран 26 пространство внутри отрезка трубопровода 1 заполняется рабочей жидкостью до уровня, несколько превышающего верхний торец полого ротора 18; уровень заполнения измеряется по водомерной трубке 28. С пульта управления 25 подается питание на двигатель 22, который через редуктор 21 приводит во вращение ротор 18, одновременно с двигателем 22 работает и датчик угловой скорости 23, выходной сигнал которого, пропорциональный угловой скорости, поступает на регистратор 24; таким образом, угловая скорость ω вращения ротора фиксируется регистрирующим устройством, состоящим из датчика 23 и регистратора 24, Вращающийся ротор сетчатой "цилиндрической поверхностью 19 за счет увеличенного сцепления с жидкостью увлекает за собой жидкость, которая начинает разгоняться и по окончании переходного процесса вся жидкость также будет враща ться со скоростью w. При установившемся вращательном движении жидкости с угловой скоростью ω свободная поверхность жидкости примет форму параболоида вращения 30, а уровень жидкости в трубе 28 переместится вверх за счет дополнительного давления от вращения жидкости и займет другое стабильное значение. Таким образом, при стабильной угловой скорости ротора ω , фиксируемой регистратором 24, и стабильном значении уровня, измеряемого по трубке 28, будет и стабильная скорость вращения жидкости с угловой скоростью ω. Каждое задаваемое значение w1, соответствующее расходу Qi, определяется из условия (1), характеризующего равенство окружной скорости жидкости у стенки при градуировке с продольной скоростью жидкости γ той же стенки при работе расходомера где w1,1/с -угловая скорость вращения ротора; R, м - радиус цилиндрической сетчатой оболочки; D, м - внутренний диаметр отрезка трубопровода; Qi, м/с - объемный расход жидкости; viи , м/с - окружная скорость сетчатой оболочки ротора; vip , м/с - средняя скорость жидкости вдоль оси отрезка трубопровода при рабочем положении расходомера. Для всего интервала значений рабочего расхода Qmin-Q mах набирается необходимое количество промежуточных значений Qi, для них вычисляются по (1) соответствующие им интервалы wmin-wmax и промежуточные значения wi эти ωi обеспечиваются путем управления с пульта 25 и фиксации wi регистратором 24. Тепловой расходомер включается в работу после того, как ротор и вращающая им жидкость достигнут установившегося, стабильного значения при назначенной угловой скорости (us. При включении расходомера в работу источник тепловой энергии 5 непрерывно выделяет постоянную тепловую мощность; основная ее часть проходит через корпус нагревателя 2, стенку тр убы 1 и отбирается потоком жидкости. При этом в стенке трубы под корпусом 2 и в прилегающих участках создается зона прогрева 12, размеры и температура которой зависят от коэффициента теплообмена a между стенкой трубы 1 и жидкостью; в свою очередь, коэффициент теплообмена а зависит от скорости жидкости ν, омывающей эту стенку. Поскольку корпус компенсатора 3 установлен на трубе 1 вне зоны ее прогрева 12, то температура этого корпуса не зависит от скорости жидкости ν. Как показано в [2], образующаяся таким образом разность температур DtH между корпусом нагревателя (зона прогрева) и корпусом компенсатора (непрогретая зона) сильно зависит от величины скорости жидкости ν (расхода Q) и слабо зависит от температуры жидкости tЖ. Разность температур Dtн термопарой 6,7 преобразуется в термоЭДС, усиливается усилителем 9 и поступает на корректирующий делитель напряжения, состоящий из элементов 10, 8, 11. Как показано в [2], выходной сигнал этого делителя напряжения, являющийся выходным сигналом Uвых расходомера, не зависит от температуры жидкости tж, а зависит только от скорости жидкости ν, т.е. зависит только от расхода Q. Таким образом, задавая и фиксируя на устройстве для градуировки теплового расходамера угловые скорости со ι и используя их в качестве реперныхточек воспроизводимого расхода Qi, получим на выходе теплового расходомера Uвых= f(Q). Использование предлагаемого способа vi устройства для градуировки проточного теплового расходомера с местным прогревом стенки дает следующие положительные эффекты. 1, Существенно уменьшается (в 100-1000 раз) количество жидкости, используемой в процессе градуировки, особенно расходомеров на большие расходы. Например, в изготовленном нами тепловом расходомере воды с D = 410 мм, длиной цилиндрического отрезка L = 2000 мм, Q =0,139м 3/с - при испытании на статической расходомерной установке требовалось бы для каждой проливки Δt= 600 с около 100 м 3 воды (DV = Q * Dτ· 0,139-600-=83,4 м 3). На устройстве по настоящей заявке, изготовленном нами, достаточно было для градуировки всего около 0,2 м воды (высота уровня L = 1,4 м). 2. Существенно упрощается и удешевляется измерение расхода Q жидкости. Вместо точного измерения большого объема ΔV( ΔV≈100 м 3), что сложно и дорого, точно и дешево производится измерение угловой скорости ω ротора (датчиком угловой скорости и регистратором угловой скорости). 3. Появляется технически и экономически обоснованная возможность быстро и дешево создавать (разрабатывать, изготовлять, испытывать и градуировать) тепловые расходомеры с местным прогревом стенки для трубопроводов большого диаметра D=1000-3000 мм. Для таких больших диаметров трубопроводов статических расходомерных установок практически нет, т.к. они очень дороги; в связи с этим практически нет и расходомеров для таких диаметров труб. 4. Появляется также технически и экономически обоснованная возможность быстро и дешево создавать тепловые расходомеры с местным прогревом стенки для любого диаметра труб не только для воды, но и для многих други х жидкостей, в т.ч. горючи х и экологически вредных (нефть и ее производные), а также для смесей жидкости с твердыми частицами (промышленные и канализационные стоки, смеси для буровых, гидротранспорт и т.п.).