Пристрій для градуювання, метрологічної атестації та повірки сопел критичного витоку

Реферат: Пристрій для градуювання, метрологічної атестації та повірки сопел критичного витоку має систему подачі газу на вході, дзвоновий мірник, випробувальну ділянку, пристрій розрідження повітря і пристрій збору та обробки інформації. Крім того, випробувальна ділянка виконана з блоком монтажу сопел з можливістю встановлення в блок монтажу паралельно щонайменше двох сопел одного номіналу (мультисопла) та їх градуювання і метрологічних іспитів як єдиного сопла, пристрій додатково споряджений електроклапаном, електрично керованим регулятором витоку та вакуумною ємністю, що встановлені між виходом сопел і пристроєм створення розрідження повітря і послідовно з'єднані між собою, системою перевірки герметичності у складі послідовно під'єднаного компресора і електроклапана, які з одного боку з'єднані трубопроводом з блоком монтажу сопел критичного витоку, а з іншого з атмосферою і блоком управління, з'єднаним з пристроєм збору та обробки інформації. UA 73194 U (12) UA 73194 U UA 73194 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до метрології в галузі вимірювання витрат речовин і може бути використана для градуювання, метрологічної атестації та повірки сопел критичного витоку. Відомий пристрій для градуювання витратомірів газу на основі сопел критичного витоку [Патент України № 30411, G 01F25/00, Бюл. № 2 2003 р.]. Такий пристрій для градуювання витратомірів газу на основі сопел критичного витоку включає систему подачі газу (або повітря), дзвоновий мірник і випробувальну ділянку, що додатково містить джерело робочого газу, а випробувальна ділянка містить витратомір критичного витікання газу та систему забезпечення критичного режиму потоку газу, що включає газоструминний інжектор, джерело витрати стисненого повітря та блок керування цим джерелом витрати і його використовують для забезпечення постійних умов вимірювання і звіряння метрологічних характеристик приладів, які забезпечують ці умови в комплексі. Проте він має складну конструкцію, яка полягає у застосуванні газоструминного інжектора з джерелом стиснутого повітря і блоком керування цим джерелом, що звужує межі його використання. Найбільш близьким за технічною суттю до пристрою, що заявляється є пристрій для градуювання витратомірів газу на основі сопел критичного витоку, який має систему подачі газу на вході, дзвоновий мірник, випробувальну ділянку, та пристрій розрідження повітря, розміщений після критичного витратоміра і пристрій збору та обробки інформації [деклараційний патент на винахід № 43249 A, G01F25/00, Бюл. № 10 2001 р.]. Однак цей пристрій не забезпечує необхідні умови для метрологічної атестації та повірки сопел критичного витоку через недостатній діапазон вимірювань, який пов'язаний з пристроєм створення розрідження повітря і забезпечення роботи такого пристрою за різних відтворюваних витрат ускладнюється. Особливо складно забезпечити функціонування пристрою за великих значень витрат. Для цих цілей потрібно створювати спеціальні пристрої розрідження повітря, які суттєво ускладнюють конструкцію і збільшують його вартість. Враховуючи, що відомий пристрій розрідження є поршневого типу, то він може поширювати механічні пульсації та пульсації тиску, що при досягненні критичного перепаду тиску передаються до сопла критичного витоку, яке атестується або повіряється. Використання відцентрових насосів, які створюють менші пульсації є недоцільним, оскільки, ними практично неможливо досягнути необхідного розрідження, яке потрібне для експериментальних досліджень сопел критичного витоку. В основу корисної моделі поставлено технічну задачу створення нового більш досконалого пристрою для атестації та повірки сопел критичного витоку шляхом введення конструктивних змін і застосування нового обладнання при відповідній їх взаємодії з пристроєм забезпечити підвищення точності відтворення та передачі одиниць об'ємної та масової витрати. Поставлена задача вирішується тим, що в пристрої для градуювання, метрологічної атестації та повірки сопел критичного витоку, що має систему подачі газу на вході, дзвоновий мірник, випробувальну ділянку, пристрій розрідження повітря і пристрій збору та обробки інформації, згідно пропонованої корисної моделі, випробувальна ділянка виконана з блоком монтажу сопел з можливістю встановлення в блок монтажу паралельно щонайменше двох сопел одного номіналу (мультисопла) та їх градуювання і метрологічних іспитів як єдиного сопла, пристрій додатково споряджений електроклапаном, електрично керованим регулятором витоку та вакуумною ємністю, що встановлені між виходом сопла і пристроєм створення розрідження повітря і послідовно з'єднані між собою, системою перевірки герметичності у складі послідовно під'єднаного компресора і електроклапана, які з одного боку з'єднані трубопроводом з блоком монтажу сопел критичного витоку, а з іншого з атмосферою і блоком управління, з'єднаним з пристроєм збору та обробки інформації, керованими електроклапанами, електрично керованим регулятором витоку, двигунами приводів компресора та пристрою створення вакууму, при цьому пристрій збору і обробки інформації додатково обладнаний вузлом опрацювання алгоритму розрахунку номінального значення масової/об'ємної витрати сопла критичного витоку з врахуванням вологості робочого середовища і алгоритму розрахунку об'ємної витрати сопла критичного витоку (замість відомого розрахунку за коефіцієнтом витоку). За рахунок додаткового оснащення пристрою для градуювання витратомірів на соплах критичного витоку, електроклапаном, електрорегулятором та стабілізуючою вакуумною ємністю розширюється його галузь застосування. Насамперед вакуумна ємність не передбачає регулювання витрати газу, що суттєво спрощує роботу пристрою і дає можливість розширити діапазон витрат установки. Електроклапан забезпечує можливість перевірки герметичності системи, включаючи дзвонову установку та блок монтажу сопел критичного витоку. Регулятор витрати забезпечує плавний запуск режиму повірки сопел критичного витоку повільним поширенням вакууму до дзвонової установки. В сфері проведення експериментальних 1 UA 73194 U 5 10 15 20 досліджень відкривається можливість проведення експериментальних досліджень з різним розрідженням, яке знаходиться у критичних межах для сопел різної конфігурації. Передбачення системи перевірки герметичності забезпечує можливість у автоматичному режимі перевірку герметичності монтажу сопел критичного витоку та під'єднання блоку монтажу сопел. Також є можливим перевірка герметичності з використанням складових дзвонового мірника та автоматизованої системи блоку керування з пристроєм збору та обробки інформації, які в комплексі забезпечують безперервний процес автоматичного керування градуюванням, метрологічною атестацією та повіркою сопел критичного витоку, а також керуванням усіма електроклапанами та двигунами компресора та пристрою створення вакууму. Можливість паралельного встановлення щонайменше двох сопел одного номіналу (мультисопла) в блоці монтажу випробовувальної ділянки відкриває нові можливості з дослідження фізичних процесів паралельного застосування сопел і розширення діапазону відтворюваних витрат. Характеристиками потоку, які обумовлюють відтворення витрати даним пристроєм з параметрами газу під дзвоном на початку відліку контрольного об'єму Р 1, Т1, V1, характеризують, відповідно, абсолютний тиск, температуру і об'єм газу під дзвоном. З врахуванням того, що дзвонова установка є джерелом стабільної витрати, то тиск і температура в процесі вимірювання є незмінними. Тому параметри повітря в кінці відліку контрольного об'єму становлять відповідно Р1 Т1 VК. При цьому різниця об'ємів V=V1-VK становить контрольний об'єм газу, який відтворюється дзвоновим мірником. Об'ємна витрата газу Q при витісненні його дзвоном за час τ становить: Q V  , (1) Масова витрата Qm на виході установки визначається виразом: 25 Qm=Q·=V·P1τ·k·R·T1, (2) де  - густина робочого газу під дзвоном, k, R - коефіцієнт стискуваності та питома газова постійна відповідно. Масова витрата повітря через критичне сопло визначається виразом: 30 QC    F  c  35 45 50 (3) RT2 , де Р2 та Т2 - абсолютний тиск та температура ізоентропічно заторможеного газу перед критичним соплом,  - коефіцієнт витрати сопла, F - площа отвору сопла, с - функція критичної витрати газу через сопло. Отже, для розрахунку номінального значення об'ємної витрати, що вимірюється за допомогою критичного сопла при передаванні її розміру від первинного еталона (дзвонового мірника) з врахуванням вологості, використовують алгоритм: qv,20  40 P2 e 1 c 1  0.169x v 293.15 qe Tc , (4) де e, c - густина вимірюваного середовища в еталоні і перед соплом, відповідно; xv - молярна частка водяної пари; ТС - температура перед соплом; qe - значення об'ємної витрати відтвореної первинним еталоном. З метою автоматизованого обчислення результатів вимірювання пристрій збору та обробки інформації обладнаний додатковим вузлом опрацювання вищенаведеного алгоритму розрахунку номінального значення масової/об'ємної витрати сопла критичного витоку з врахуванням вологості робочого середовища, що дозволяє зменшити похибку градуювання, метрологічної атестації та повірки сопел, і в той же час можливість застосування алгоритму розрахунку об'ємної витрати сопла критичного витоку замість коефіцієнта витоку спрощує процедуру переходу від масової витрати до об'ємної, а також відкриває можливість використання даних сопел для градуювання та повірки лічильників газу. 2 UA 73194 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Таким чином сукупністю відомих і пропонованих суттєвих ознак і їх причинно-наслідковим зв'язком з отриманим технічним результатом забезпечують виконання технічної задачі корисної моделі. Суть корисної моделі пояснює креслення. На фіг. зображений пристрій для градуювання, метрологічної атестації та повірки сопел критичного витоку. Пристрій для градуювання, метрологічної атестації та повірки сопел критичного витоку складається з дзвона 1, який розміщений у резервуарі з рідиною 2 (витіснювачі). До дзвона (1) на сталевому тросі 3 прив'язана противага 4 через відповідну систему компенсації Архімедової сили. Повітродувка 7 призначена для нагнітання повітря під дзвін (1) для його підйому при відкритому запірному клапані 8 через вхідний трубопровід 9. Оптична лінійка 6 з проградуйованими значеннями контрольного об'єму з'єднана з дзвоном (1) сталевою ниткою 35, яка перекинута через блок 5. Випробувальна ділянка 36 складається з блоку монтажу сопел критичного витоку 10, пристрою розрідження повітря 11, датчиків вимірювання тиску 12 та температури 13 з перетворювачами цих параметрів в електричний сигнал (на фіг. не наведено) для вимірювання фізичних параметрів газу під дзвоном (1), датчиків тиску 14 та 15 з перетворювачами (на фіг. не наведено) для вимірювання тиску до 14 і після 15 сопла критичного витоку (10) і датчика перепаду тиску 29, встановленого безпосередньо на соплі 10, датчика температури 16 з перетворювачем для вимірювання температури в критичному перерізі (на фіг. не наведено), вихідного трубопроводу 17 з запірним клапаном 18 і пристрою збору і обробки інформації 19. Між виходом сопла (10) і пристроєм створення розрідження повітря 11 вставлені і з'єднані послідовно електроклапан 20, електричний регулятор 21 і стабілізуюча вакуумна ємність 22. Система перевірки герметичності 23 у складі послідовно з'єднаного компресора 24 та електроклапана 25, трубопроводу 26, підключеного до входу випробувальної ділянки 36 та електроклапана 27, який одним кінцем під'єднаний до трубопроводу 26, а іншим до атмосфери 37. Блок керування 28, що підключений до пристрою збору і обробки інформації 19 також керує електроклапанами 18, 20, 25, 27, електричним регулятором 21 і двигуном компресора 24, двигуном приводу пристрою створення розрідження 11. До складу установки входить датчик вологості 30. При цьому пристрій для збору і обробки інформації 19 обладнаний додатковим вузлом, що містить ПЕОМ 31, принтер 32 і окремий пристрій зв'язку з об'єктом (ПЗО) 33, який в свою чергу зв'язаним з ПЕОМ кабелем 34 і забезпечує опрацювання необхідних алгоритмів. Пристрій для градуювання, метрологічної атестації та повірки сопел критичного витоку працює таким чином. При відкритому вхідному запірному клапані 8 через трубопровід 9 з використанням повітродувки 7 заповнюють піддзвоновий простір дзвона 1. Далі, поки дзвін 1 знаходиться у верхньому положенні, запірні клапани 8 та 17 закриті. Включається пристрій створення вакууму 11 і створюється відповідне розрідження у стабілізуючій вакуумній ємності 22, яке контролюється давачем вимірювання тиску 15. Після витримки дзвону 1 у верхньому положенні у відповідний проміжок часу вмикається система перевірки герметичності 23. Після позитивного результату відкриваються клапани 20 та 21 і починається процес вимірювання. Певний час дзвін 1 витісняє повітря через сопло критичного витоку 10 у стабілізуючу вакуумну ємність 22. Потім, коли дзвін 1 доходить до мітки "старт", де починається відлік контрольного об'єму, відтворюваного дзвоном 1, проводять вимірювання з допомогою датчиків тиску 12 і 14 та перепаду тиску 29 та температури 13, 16. В цей час пристрій збору та обробки інформації 19 контролює вимірювальний процес. Коли дзвін 1 доходить до мітки "стоп", пристрій 19 проводить розрахунок номінального значення витрати сопла критичного витоку 10, що атестується, за алгоритмом наведеним вище. На цьому вимірювальний цикл завершений. Також можливий варіант роботи пристрою з увімкненим пристроєм для створення розрідження 11, що забезпечує ширший діапазон відтворюваних витрат. Принцип роботи полягає в наступному. Попередньо з стабілізуючої ємності 22 викачують повітря, для чого після відповідної витримки дзвона 1 у верхньому положенні вмикають пристрій створення розрідження 11 і відкривають клапани 18, 20 та 21 і почергово починають вимірюваний цикл так само, як описано вище. Пристрій для градуювання, метрологічної атестації та повірки сопел критичного витоку, виготовлений у відповідності до пропонованої корисної моделі, забезпечує державну метрологічну атестацію, повірку та калібрування сопел критичного витоку з зменшеною похибкою при зниженні витрат на його виготовлення і обслуговування. 3 UA 73194 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 Пристрій для градуювання, метрологічної атестації та повірки сопел критичного витоку, що має систему подачі газу на вході, дзвоновий мірник, випробувальну ділянку, пристрій розрідження повітря і пристрій збору та обробки інформації, який відрізняється тим, що випробувальна ділянка виконана з блоком монтажу сопел з можливістю встановлення в блок монтажу паралельно щонайменше двох сопел одного номіналу (мультисопла) та їх градуювання і метрологічних іспитів як єдиного сопла, пристрій додатково споряджений електроклапаном, електрично керованим регулятором витоку та вакуумною ємністю, що встановлені між виходом сопел і пристроєм створення розрідження повітря і послідовно з'єднані між собою, системою перевірки герметичності у складі послідовно під'єднаного компресора і електроклапана, які з одного боку з'єднані трубопроводом з блоком монтажу сопел критичного витоку, а з іншого з атмосферою і блоком управління, з'єднаним з пристроєм збору та обробки інформації, керованими електроклапанами, електрично керованим регулятором витоку, двигунами приводів компресора та пристрою створення вакууму, при цьому пристрій збору і обробки інформації обладнаний додатковим вузлом опрацювання алгоритму розрахунку номінального значення масової/об'ємної витрати сопла критичного витоку з врахуванням вологості робочого середовища і алгоритму розрахунку об'ємної витрати сопла критичного витоку. Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4