[go: up one dir, main page]

RU2847453C1 - Inertial method of medium mass flow rate measuring and device for its implementation - Google Patents

Inertial method of medium mass flow rate measuring and device for its implementation

Info

Publication number
RU2847453C1
RU2847453C1 RU2024125390A RU2024125390A RU2847453C1 RU 2847453 C1 RU2847453 C1 RU 2847453C1 RU 2024125390 A RU2024125390 A RU 2024125390A RU 2024125390 A RU2024125390 A RU 2024125390A RU 2847453 C1 RU2847453 C1 RU 2847453C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
flow rate
medium
pipeline
mass flow
flow
Prior art date
Application number
RU2024125390A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Олег Валентинович Жиляев
Original Assignee
Олег Валентинович Жиляев
Filing date
Publication date
Application filed by Олег Валентинович Жиляев filed Critical Олег Валентинович Жиляев
Application granted granted Critical
Publication of RU2847453C1 publication Critical patent/RU2847453C1/en

Links

Abstract

FIELD: measuring.
SUBSTANCE: invention relates to measurement of flow rate of medium – liquid or gas, namely mass flow rate of medium. To measure mass flow rate of a medium moving in a pipeline, a certain amount of medium is added to the stream at a certain section of the pipeline or a certain amount of medium is extracted from the stream. Said addition or extraction of the medium is carried out by a flow with a constant direction. Volume flow rate or mass flow rate of the stream with which said addition or extraction is carried out is measured. Pressure difference is measured between two points located one upstream of said section and the other downstream thereof. Then, based on measured pressure drop and measured flow rate of added or withdrawn flow, mass flow rate of medium flow is determined by means of mathematical operations. Device for implementing the method (fig. 1) includes main pipeline 1, additional pipeline 2 with flow meter 3 installed thereon, means 4 providing medium movement along additional pipeline 2, differential pressure sensor 5, connected to the main pipeline at two points, one of which is located upstream of said section and the other downstream thereof.
EFFECT: measurement of mass flow rate of medium flow in pipelines of both small diameter up to 150 mm and large diameter over 150 mm at maintaining or enlarging the range of measurement, at maintaining or reducing measurement error and at reduction of structural complexity of the device.
2 cl, 4 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеField of technology to which the invention relates

Изобретение относится к области измерения расхода среды - жидкости или газа, а именно массового расхода среды.The invention relates to the field of measuring the flow rate of a medium - liquid or gas, namely the mass flow rate of the medium.

Уровень техникиState of the art

В настоящее время существуют разнообразные способы и устройства для измерения массового расхода среды. Для отображения существующего уровня техники приведем несколько аналогов заявляемого изобретения. Известны массовые расходомеры, основанные на измерении силы Кориолиса в движущейся по трубопроводу жидкости, совершающей поперечные колебания вместе с трубопроводом - вибрационные расходомеры Кориолиса. Один из таких расходомеров приведен в патентном документе: Method and apparatus for mass flow rate measurement. Патент США №4109524, 1978 [1]. Подробно принцип действия и устройство расходомеров данного типа разобраны в справочнике: Кремлёвский П.П. Расходомеры и счетчики количества, 1989 [2, с. 348, 354]. Принцип действия состоит в том, что трубопроводу, по которому движется измеряемая жидкость, сообщают вынужденные поперечные колебания. При этом на частицы жидкости действует сила инерции Кориолиса, зависящая от скорости частиц. В результате между начальным и конечным участками трубопровода, совершающего колебания, возникает фазовый сдвиг колебаний, пропорциональный массовому расходу потока среды. Измеряют тем или иным способом данный фазовый сдвиг колебаний, далее посредством математических вычислений определяют массовый расход потока жидкости. К недостаткам таких приборов относится необходимость обеспечения достаточной гибкости измерительного участка трубопровода, что приводит к сложности изготовления расходомеров при диаметрах трубопровода более 150 мм. Так, в описании другого аналога, приведенном в патентном документе [3] (приведено ниже) указано, что «массовые расходомеры, построенные на эффекте Кориолиса, выпускаемые в настоящее время, не способны действовать на базе измерения полных потоков на трубопроводах с диаметром, превышающим 150 мм».Currently, there are various methods and devices for measuring the mass flow rate of a medium. To illustrate the current level of technology, we will present several analogues of the claimed invention. Known are mass flow meters based on measuring the Coriolis force in a liquid moving through a pipeline, which performs transverse oscillations together with the pipeline - vibrating Coriolis flow meters. One of such flow meters is described in the patent document: Method and apparatus for mass flow rate measurement. US Patent No. 4,109,524, 1978 [1]. The operating principle and design of flow meters of this type are discussed in detail in the reference book: Kremlevsky P.P. Flow meters and quantity counters, 1989 [2, pp. 348, 354]. The operating principle is that the pipeline through which the measured liquid moves is imparted forced transverse oscillations. In this case, the liquid particles are acted upon by the Coriolis force of inertia, which depends on the velocity of the particles. As a result, a phase shift in the oscillations between the initial and final sections of the oscillating pipeline occurs, proportional to the mass flow rate of the fluid flow. This phase shift is measured using one method or another, and then the mass flow rate of the fluid flow is determined through mathematical calculations. The disadvantages of such devices include the need to ensure sufficient flexibility in the measuring section of the pipeline, which complicates the manufacture of flowmeters for pipeline diameters greater than 150 mm. For example, the description of another similar device, cited in patent document [3] (cited below), states that "currently manufactured mass flowmeters based on the Coriolis effect are not capable of measuring full flows in pipelines with diameters exceeding 150 mm."

Известно изобретение, предназначенное для преодоления указанного недостатка: Расходомер перепускного типа. Патент RU №2181477 [3]. Данное устройство содержит вход для отделения части потока в трубопроводе и направления его в расходомер и выход для возврата материала, проходящего через расходомер, расположенные внутри трубопровода. Выход для материала соединен с трубопроводом на участке, на котором имеет место увеличение скорости потока, достигаемое с помощью трубки Вентури, в зоне ее горловины. Со входом и выходом соединено средство для измерения перепада давления, по которому определяют вязкость материала. В данном изобретении полный массовый расход в трубопроводе определяют путем прибавления массового расхода через расходомер к массовому расходу через трубу Вентури. Согласно описанию изобретения, расход через трубу Вентури в данном изобретении определяют за счет умножения скорости потока в трубе Вентури на площадь ее поперечного сечения в области горловины и на плотность материала. Саму скорость потока в горловине трубы Вентури определяют путем решения уравнения, определяющего соотношение скоростей потока через расходомер и через трубу Вентури, считая это соотношение зависящим известным образом от плотности, вязкости измеряемой среды и ее скорости течения. Датчик перепада давления (дифференциальный манометр) в данном изобретении служит для расчетного определения вязкости потока за счет измерения перепада давления на расходомере. Недостатком данного изобретения является то, что непосредственному измерению массового расхода подвергается лишь малая часть полного потока, отводимая в расходомер, установленный на дополнительном трубопроводе, в то время как основная часть полного потока проходит через трубу Вентури без фактического измерения массового расхода. Таким образом, массовый расход потока через трубу Вентури определяют расчетным путем по скорости потока в горловине, которую, в свою очередь, также определяют расчетным путем. Как следствие, погрешность определения массового расхода потока в трубе Вентури зависит как от точности математических уравнений, по которым определяют указанную скорость, так и от соответствия математической модели, для которой получены данные уравнения, фактическому режиму течения среды. Следовательно, погрешность измерения массового расхода потока по данному изобретению может быть высокой.An invention is known for overcoming the said drawback: A bypass flow meter. Patent RU No. 2181477 [3]. This device comprises an inlet for separating a portion of the flow in a pipeline and directing it to a flow meter, and an outlet for returning the material passing through the flow meter, both located inside the pipeline. The outlet for the material is connected to the pipeline at a section where an increase in the flow velocity occurs, achieved using a Venturi tube, in the area of its throat. A means for measuring the pressure drop is connected to the inlet and outlet, by which the viscosity of the material is determined. In this invention, the total mass flow in the pipeline is determined by adding the mass flow through the flow meter to the mass flow through the Venturi tube. According to the description of the invention, the flow through the Venturi tube in this invention is determined by multiplying the flow velocity in the Venturi tube by its cross-sectional area in the throat area and by the density of the material. The flow velocity in the throat of the Venturi tube is determined by solving an equation defining the ratio of the flow velocities through the flowmeter and through the Venturi tube, assuming this ratio to be dependent in a known manner on the density, viscosity, and flow velocity of the measured medium. The differential pressure sensor (differential manometer) in this invention is used to calculate the flow viscosity by measuring the pressure drop across the flowmeter. A disadvantage of this invention is that only a small portion of the total flow, diverted to a flowmeter installed on an additional pipeline, is directly measured, while the bulk of the total flow passes through the Venturi tube without actual mass flow measurement. Thus, the mass flow rate through the Venturi tube is determined by calculation based on the flow velocity in the throat, which, in turn, is also determined by calculation. Consequently, the error in determining the mass flow rate in a Venturi tube depends both on the accuracy of the mathematical equations used to determine the velocity and on the correspondence between the mathematical model for which these equations are derived and the actual flow regime of the medium. Consequently, the error in measuring the mass flow rate according to this invention can be high.

Известен также способ определения плотности и массового расхода, описанный в патентном документе: Инерционный способ определения плотности и(или) массового расхода жидкости (газа). Патент №2445602 [4]. Согласно данному способу, жидкость или газ, движущиеся по прямому участку трубопровода, подвергают циклическому продольному знакопеременному воздействию. Данное воздействие вызывает изменение продольной скорости жидкости, появление сил инерции и разности давлений. По данной разности давлений определяют массовый расход потока среды и ее плотность. Трубопровод имеет постоянное поперечное сечение, а указанное знакопеременное воздействие осуществляют в дополнительном трубопроводе за счет применения специального поршня. В данном изобретении измерению подвергается полный поток, движущийся по трубопроводу, следовательно, измерение массового расхода потока может быть выполнено с малой погрешностью. Недостатком данного изобретения является техническая сложность и высокая стоимость его осуществления, обусловленные следующими особенностями. В составе устройства для осуществления изобретения имеется поршень, совершающий колебания в среде измеряемой жидкости. Имеется необходимость принятия конструктивных мер к минимизации износа трущихся поверхностей поршня и окружающего его трубопровода при длительной эксплуатации, также как и конструктивных мер к герметизации поршня. Также необходимо принять конструктивные меры к осуществлению приведения поршня в движение и к герметизации механизма привода поршня, с учетом возможного высокого давления среды в трубопроводе. Наконец, согласно описанию изобретения, в его составе для измерения массового расхода необходимо два, а при необходимости измерения также и плотности - три высокоточных датчика перепада давления. Перечисленные особенности и связанные с ними конструктивные меры приводят в итоге к усложнению и повышению стоимости устройства, реализующего способ [4].A method for determining density and mass flow rate is also known, described in a patent document: Inertial method for determining the density and/or mass flow rate of a liquid (gas). Patent No. 2445602 [4]. According to this method, a liquid or gas moving along a straight section of a pipeline is subjected to cyclic longitudinal alternating action. This action causes a change in the longitudinal velocity of the liquid, the appearance of inertial forces and a pressure difference. Based on this pressure difference, the mass flow rate of the medium flow and its density are determined. The pipeline has a constant cross-section, and the said alternating action is carried out in an additional pipeline through the use of a special piston. In this invention, the full flow moving along the pipeline is measured, therefore, the mass flow rate of the flow can be measured with a small error. The disadvantage of this invention is the technical complexity and high cost of its implementation, due to the following features. The device for implementing the invention includes a piston oscillating in the medium of the measured liquid. There is a need for design measures to minimize wear on the piston's rubbing surfaces and the surrounding pipeline during long-term operation, as well as design measures to seal the piston. Design measures must also be taken to ensure piston actuation and seal the piston drive mechanism, taking into account the potential high pressure of the medium in the pipeline. Finally, according to the description of the invention, two high-precision differential pressure sensors are required to measure mass flow, and, if density measurement is also required, three high-precision differential pressure sensors. These features and associated design measures ultimately lead to increased complexity and cost of the device implementing the method [4].

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention

Заявляемый способ наиболее близок по своему принципу действия к изобретению, описанному в патентном документе [4], являющемся наиболее близким аналогом. Проведенные исследования показывают, что для целей измерения массового расхода можно использовать не только знакопеременное воздействие на жидкость, но и воздействие постоянного знака. В работах: Жиляев О.В. Применение подхода, основанного на динамике частицы переменной массы, к совершенствованию математической модели инерционного расходомера [5], Жиляев О.В. Использование модели тела переменной массы при построении математической модели инерционного расходомера [6] приводится математическая модель, описывающая возникновение перепада давления между точками среды в трубопроводе при взаимодействии двух потоков. Для объяснения сущности изобретения обратимся к его схеме на чертеже фиг. 1.The claimed method is closest in its operating principle to the invention described in the patent document [4], which is the closest analogue. The conducted studies show that for the purposes of measuring mass flow rate it is possible to use not only an alternating-sign effect on the liquid, but also an effect of a constant sign. In the works: Zhilyaev O.V. Application of an approach based on the dynamics of a variable-mass particle to improving the mathematical model of an inertial flowmeter [5], Zhilyaev O.V. Using a model of a variable-mass body in constructing a mathematical model of an inertial flowmeter [6] a mathematical model is presented that describes the occurrence of a pressure drop between points of the medium in a pipeline during the interaction of two flows. To explain the essence of the invention, let us turn to its diagram in the drawing Fig. 1.

Устройство для реализации изобретения включает в себя основной трубопровод 1, дополнительный трубопровод 2, расходомер 3, установленный на дополнительном трубопроводе 2, средство 4 того или иного принципа действия, обеспечивающее движение среды по дополнительному трубопроводу 2, датчик перепада давления (дифференциального давления) 5. Основной 1 и дополнительный 2 трубопроводы соединены на некотором участке A. Датчик перепада давления 5 подключен к основному трубопроводу в точках, расположенных одна до участка A соединения основного и дополнительного трубопроводов 1 и 2, а другая после указанного участка. Таким образом, одна из точек подключения датчика перепада давления 5 соединена с областью движения основного невозмущенного потока, а другая с областью совместного движения основного и дополнительного потоков.The device for implementing the invention includes a main pipeline 1, an additional pipeline 2, a flow meter 3 installed on the additional pipeline 2, a means 4 of one or another operating principle ensuring the movement of a medium along the additional pipeline 2, a differential pressure sensor (differential pressure) 5. The main 1 and additional 2 pipelines are connected at a certain section A. The differential pressure sensor 5 is connected to the main pipeline at points located one before the section A of the connection of the main and additional pipelines 1 and 2, and the other after the said section. Thus, one of the connection points of the differential pressure sensor 5 is connected to the region of movement of the main undisturbed flow, and the other to the region of joint movement of the main and additional flows.

Устройство работает следующим образом. Основной поток среды движется по основному трубопроводу 1 с массовым расходом , подлежащим измерению. Для осуществления измерения необходимо наличие движения среды в дополнительном трубопроводе 2 в том или ином направлении. Указанное движение среды обеспечивается за счет действия средства 4. В зависимости от направления потока в дополнительном трубопроводе, в области соединения трубопроводов A происходит смешение либо разделение двух потоков. Рассмотрим для определенности такое направление дополнительного потока, как указано на чертеже фиг. 1 - то есть соответствующее смешиванию двух потоков на участке A. Расходомер 3 осуществляет измерение массового либо объемного Q V 2 расхода потока среды в дополнительном трубопроводе 2. Расходомер 3 может быть объемного, камерного типа, либо вихревого, ультразвукового, кориолисового, или любого другого типа.The device operates as follows. The main flow of the medium moves through the main pipeline 1 with a mass flow rate , subject to measurement. To carry out the measurement, the medium must move in the additional pipeline 2 in one direction or another. This movement of the medium is ensured by the action of the means 4. Depending on the direction of flow in the additional pipeline, mixing or separation of the two flows occurs in the area of the junction of pipelines A. For the sake of clarity, let us consider the direction of the additional flow as shown in the drawing in Fig. 1 - that is, corresponding to the mixing of the two flows in section A. Flow meter 3 measures the mass or volumetric Q V 2 flow rate of the medium in the additional pipeline 2. Flow meter 3 can be of the volumetric, chamber type, or vortex, ultrasonic, Coriolis, or any other type.

Между точками потока, одна из которых находится выше участка смешения потоков А, а другая ниже него, возникает перепад давления Δp 1 . Датчик перепада давления 5 осуществляет измерение указанного перепада давления. В соответствии с формулами математической модели, приведенными в работах [5, 6], перепад давления Δp 1 в случае, отображаемом на чертеже фиг. 1, определяется формулой:Between the points of the flow, one of which is located above the flow mixing section A and the other below it, a pressure difference Δ p 1 arises. The differential pressure sensor 5 measures this pressure difference. In accordance with the formulas of the mathematical model given in works [5, 6], the pressure difference Δ p 1 in the case shown in the drawing in Fig. 1 is determined by the formula:

, (1) , (1)

где - массовый расход среды в дополнительном трубопроводе 2, ρ - плотность среды, S - площадь поперечного сечения основного трубопровода 1.Where - mass flow rate of the medium in the additional pipeline 2, ρ - density of the medium, S - cross-sectional area of the main pipeline 1.

Заявляемый способ основан на полезном использовании указанного перепада давления для целей измерения массового расхода потока среды. Выражая из формулы (1) величину массового расхода основного потока, получаем расчетную формулу для вычисления указанной величины:The claimed method is based on the beneficial use of this pressure differential for measuring the mass flow rate of a fluid flow. Expressing the mass flow rate of the main flow from formula (1), we obtain a calculation formula for calculating this value:

. (2) . (2)

Далее формула (2) для вычисления массового расхода основного потока может быть использована различным образом, в зависимости от типа расходомера 3, применяемого в составе устройства по схеме фиг. 1, и его измеряемой величины. Если в качестве расходомера 3 применяют массовый расходомер Кориолиса, измеряемой величиной которого является массовый расход потока в трубопроводе 2, то формулу (2) используют непосредственно. Если в качестве расходомера 3 применяют расходомер другого типа, измеряемой величиной которого является объемный расход среды Q V 2 , то целесообразно вычисление массового расхода осуществлять следующим образом. Выражаем в формуле (2) массовый расход через объемный расход и плотность среды:Next is formula (2) for calculating the mass flow rate of the main flow can be used in different ways, depending on the type of flow meter 3 used in the device according to the diagram in Fig. 1, and its measured value. If a Coriolis mass flow meter is used as flow meter 3, the measured value of which is mass flow flow in pipeline 2, then formula (2) is used directly. If a flow meter of a different type is used as flow meter 3, the measured value of which is the volumetric flow rate of the medium Q V 2 , then it is advisable to calculate the mass flow rate as follows. We express the mass flow rate in formula (2) through the volumetric flow rate and density of the medium:

; ;

. (3) . (3)

Формула (3) дает возможность вычисления массового расхода основного потока на основе измеренного перепада давления Δp 1 и измеренного значения объемного расхода дополнительного потока Q V 2 .Formula (3) allows calculating the mass flow rate of the main flow based on the measured pressure drop Δ p 1 and the measured value of the volumetric flow rate of the additional flow Q V 2 .

В качестве значения плотности среды ρ может использоваться усредненное значение плотности среды, характерное для места установки расходомера, и в большинстве случаев известное с той или иной степенью точности. С другой стороны, плотность может быть измерена за счет применения дополнительных специальных устройств, не указанных в настоящем изобретении. В частности, в случае использования в качестве расходомера 3 расходомера Кориолиса с функцией измерения плотности, может использоваться значение плотности среды ρ, измеренное при его помощи.The average density of the medium, ρ, characteristic of the flowmeter installation location and, in most cases, known with varying degrees of accuracy, can be used as the density of the medium. Alternatively, density can be measured using additional specialized devices not specified in the present invention. In particular, if a Coriolis flowmeter with density measurement capability is used as the flowmeter 3, the density of the medium, ρ, measured using it can be used.

Таким образом, для измерения массового расхода потока среды осуществляют на некотором участке трубопровода добавление определенного потока среды в трубопровод либо отбор определенного потока среды из трубопровода. Указанные добавление либо отбор среды осуществляют за счет потока постоянного направления. Измеряют объемный либо массовый расход потока, с которым производятся указанные добавление либо отбор. Измеряют перепад давления между двумя точками, находящимися одна выше, а другая ниже указанного участка по потоку. Далее на основе измеренного перепада давления и измеренного расхода добавленного либо отбираемого потока при помощи математических операций определяют массовый расход потока среды. Устройство для реализации способа (фиг. 1) включает в себя основной трубопровод 1, дополнительный трубопровод 2 с установленным на нем расходомером 3, средство 4 того или иного принципа действия, обеспечивающее движение среды по дополнительному трубопроводу 2, датчик перепада давления (дифференциального давления) 5.Thus, to measure the mass flow rate of a medium flow, a certain flow of medium is added to the pipeline at a certain section of the pipeline, or a certain flow of medium is withdrawn from the pipeline. The said addition or withdrawal of the medium is carried out due to a flow of a constant direction. The volumetric or mass flow rate of the flow with which the said addition or withdrawal is carried out is measured. The pressure difference between two points, one located upstream and the other downstream of the said section along the flow, is measured. Then, based on the measured pressure difference and the measured flow rate of the added or withdrawn flow, the mass flow rate of the medium flow is determined using mathematical operations. The device for implementing the method (Fig. 1) includes a main pipeline 1, an additional pipeline 2 with a flow meter 3 installed thereon, a means 4 of one or another operating principle ensuring the movement of the medium along the additional pipeline 2, a pressure difference (differential pressure) sensor 5.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Фиг. 1 - схема устройства для реализации способа.Fig. 1 - diagram of a device for implementing the method.

Фиг. 2 - схема варианта 2 устройства для реализации способа.Fig. 2 - diagram of variant 2 of the device for implementing the method.

Фиг. 3 - схема варианта 3 устройства для реализации способа.Fig. 3 - diagram of variant 3 of the device for implementing the method.

Фиг. 4 - схема варианта 4 устройства для реализации способа.Fig. 4 - diagram of variant 4 of the device for implementing the method.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Осуществление заявленного способа измерения помимо самого описанного устройства на чертеже фиг. 1 возможно в виде различных вариантов устройств, реализующих описанный выше принцип измерения и включающих в свой состав схему на чертеже фиг. 1. Рассмотрим некоторые схемы измерителя по данному способу.The implementation of the claimed measurement method, in addition to the device itself described in the drawing of Fig. 1, is possible in the form of various versions of devices that implement the measurement principle described above and include the circuit in the drawing of Fig. 1. Let us consider some circuits of the meter for this method.

Состав устройства по варианту 2 представлен на чертеже фиг. 2.The composition of the device according to variant 2 is shown in the drawing Fig. 2.

Устройство по варианту 2 включает в себя основной трубопровод 1, дополнительный трубопровод 2, расходомер 3, насос 4, датчик перепада давления (дифференциального давления) 5 или 6.The device according to option 2 includes a main pipeline 1, an additional pipeline 2, a flow meter 3, a pump 4, a differential pressure sensor 5 or 6.

Основной трубопровод 1 заключает в себе поток среды, массовый расход которого подлежит измерению. Дополнительный трубопровод 2 представляет собой трубопровод, соединенный с основным трубопроводом 1 на двух участках А и B. Расходомер 3 предназначен для измерения объемного либо массового расхода среды в дополнительном трубопроводе 2. Насос 4 представляет собой средство для осуществления движения жидкости в дополнительном трубопроводе в представленном направлении. Датчик перепада давления (дифференциального давления) 5 предназначен для измерения разности давлений между точками, одна из которых лежит до участка разделения основного и дополнительного потоков А, а другая после указанного участка. Аналогично, датчик перепада давления (дифференциального давления) 6 предназначен для измерения разности давлений между точками, одна из которых лежит до участка смешивания основного и дополнительного потоков B, а другая после указанного участка. Для функционирования устройства и осуществления измерения массового расхода потока достаточно одного датчика перепада давления 5 либо 6, на схеме они показаны одновременно оба с целью разъяснения ее работы в двух вариантах исполнения.The main pipeline 1 contains a flow of medium, the mass flow of which is is subject to measurement. Additional pipeline 2 is a pipeline connected to the main pipeline 1 in two sections A and B. Flow meter 3 is designed to measure the volumetric or mass flow rate of the medium in additional pipeline 2. Pump 4 is a means for moving liquid in the additional pipeline in the shown direction. Differential pressure sensor 5 is designed to measure the pressure difference between points, one of which lies before the section of separation of the main and additional flows A , and the other after the specified section. Similarly, differential pressure sensor 6 is designed to measure the pressure difference between points, one of which lies before the section of mixing of the main and additional flows B , and the other after the specified section. For the operation of the device and the measurement of the mass flow rate, one differential pressure sensor 5 or 6 is sufficient; in the diagram, they are both shown simultaneously in order to explain its operation in two versions.

Устройство по варианту 2 работает следующим образом. Основной трубопровод 1 заполнен средой (жидкостью), движущейся в указанном стрелкой направлении с массовым расходом , подлежащим измерению. Для осуществления измерения массового расхода потока включают насос 4, возбуждая тем самым движение жидкости в дополнительном трубопроводе 2 в направлении, указанном стрелкой. Жидкость поступает в дополнительный трубопровод со входа А, проходит через расходомер 3, насос 4, и затем через выход B возвращается в основной трубопровод 1. С помощью расходомера 3 осуществляют измерение массового расхода дополнительного потока либо объемного расхода дополнительного потока Q V 2 . Как указано выше, между точками потока, одна из которых находится до участка разделения потоков А, а другая после этого участка, возникает перепад давления Δp 1 . Аналогично, перепад давления Δp 2 возникает между точками потока, одна из которых находится до участка смешивания потоков B, а другая после этого участка. Перепад давления Δp 1 определяется формулой:The device according to variant 2 operates as follows. The main pipeline 1 is filled with a medium (liquid) moving in the direction indicated by the arrow with a mass flow rate , subject to measurement. To measure the mass flow rate, pump 4 is turned on, thereby inducing fluid movement in additional pipeline 2 in the direction indicated by the arrow. Fluid enters the additional pipeline from inlet A , passes through flow meter 3, pump 4, and then returns to the main pipeline 1 through outlet B. Using flow meter 3, the mass flow rate of the additional flow is measured. or the volumetric flow rate of the additional flow Q V 2 . As indicated above, between points in the flow, one of which is located before the flow separation section A and the other after this section, a pressure difference Δ p 1 arises. Similarly, a pressure difference Δ p 2 arises between points in the flow, one of which is located before the flow mixing section B and the other after this section. The pressure difference Δ p 1 is determined by the formula:

, (4) , (4)

где - массовый расход среды в дополнительном трубопроводе 2, ρ - плотность среды, S - площадь поперечного сечения трубопровода 1.Where - mass flow rate of the medium in additional pipeline 2, ρ - density of the medium, S - cross-sectional area of pipeline 1.

Дальнейшие математические преобразования аналогичны приведенным выше. Из формулы (4) выражаем величину массового расхода основного потока :Further mathematical transformations are similar to those given above. From formula (4), we express the value of the mass flow rate of the main flow :

. (5) . (5)

Если в качестве расходомера 3 применяют массовый расходомер Кориолиса, измеряемой величиной которого является массовый расход потока в трубопроводе 2, то формулу (5) используют непосредственно. Если же в качестве расходомера 3 применяют объемный камерный расходомер или расходомер другого типа, измеряемой величиной которого является объемный расход Q V 2 , то выполняем преобразование, аналогичное указанному при выводе формулы (3). Выражаем в формуле (5) массовый расход через объемный расход и плотность среды:If a Coriolis mass flowmeter is used as flow meter 3, the measured value of which is the mass flow rate in pipeline 2, then formula (5) is used directly. If a positive displacement chamber flowmeter or another type of flowmeter is used as flow meter 3, the measured value of which is the volumetric flow rate Q V 2 , then we perform a transformation similar to that indicated in the derivation of formula (3). We express the mass flow rate in formula (5) through the volumetric flow rate and density of the medium:

; ;

. (6) . (6)

Формула (6) дает возможность вычисления массового расхода основного потока на основе измеренного перепада давления Δp 1 и измеренного значения объемного расхода дополнительного потока Q V 2 .Formula (6) allows calculating the mass flow rate of the main flow based on the measured pressure drop Δ p 1 and the measured value of the volumetric flow rate of the additional flow Q V 2 .

Для случая применения датчика перепада давления 6 выпишем расчетные формулы для определения массового расхода на основе перепада давления Δp 2 . Перепад давления Δp 2 определяется формулой:For the case of using differential pressure sensor 6, we will write out calculation formulas for determining the mass flow rate based on the pressure drop Δ p 2 . The pressure drop Δ p 2 is determined by the formula:

. (7) . (7)

Аналогично предыдущему, выражаем из формулы (7) массовый расход основного потока:Similar to the previous one, we express the mass flow rate of the main flow from formula (7):

. (8) . (8)

Формула (8) может быть использована непосредственно в случае, если в качестве расходомера 3 применяют расходомер Кориолиса, измеряемой величиной которого является массовый расход потока в трубопроводе 2. Если же в качестве расходомера 3 применяется объемный камерный расходомер или расходомер другого типа, измеряемой величиной которого является объемный расход Q V 2 , то выполняем преобразование, аналогичное указанному при выводе формулы (3). Выражаем в формуле (8) массовый расход через объемный расход и плотность среды:Formula (8) can be used directly if a Coriolis flowmeter is used as flow meter 3, the measured value of which is the mass flow rate in pipeline 2. If a positive displacement chamber flow meter or another type of flow meter is used as flow meter 3, the measured value of which is the volumetric flow rate Q V 2 , then we perform a transformation similar to that indicated in the derivation of formula (3). We express the mass flow rate in formula (8) through the volumetric flow rate and density of the medium:

; ;

. (9) . (9)

Состав устройства по варианту 3 приведен на чертеже фиг. 3.The composition of the device according to variant 3 is shown in the drawing Fig. 3.

Схема варианта 3 аналогична по составу и принципу действия схеме варианта 2. Отличие заключается в направлении подачи насоса, установленного в дополнительном трубопроводе 2. Выпишем расчетные формулы для схемы вариант 3. Перепады давления на датчиках перепада 5 и 6 равны:The circuit diagram for option 3 is similar in composition and operating principle to the circuit diagram for option 2. The difference lies in the direction of delivery of the pump installed in additional pipeline 2. Let's write out the calculation formulas for the circuit diagram for option 3. The pressure drops on differential sensors 5 and 6 are equal to:

; (10) ; (10)

. (11) . (11)

Выражая из формул (10, 11) величину массового расхода основного потока, получаем расчетные формулы для вычисления массового расхода основного потока:Expressing the value of the mass flow rate of the main flow from formulas (10, 11), we obtain calculation formulas for calculating the mass flow rate of the main flow:

; (12); (12) ; (12); (12)

. (13) . (13)

Формулы (12) и (13) следует использовать в случае применения в качестве расходомера 3 (фиг. 3) массового расходомера Кориолиса, измеряемой величиной которого является массовый расход среды.Formulas (12) and (13) should be used in the case of using a Coriolis mass flow meter as flow meter 3 (Fig. 3), the measured value of which is the mass flow rate of the medium.

Аналогично выводу формул (3, 6) выражаем массовый расход в дополнительном трубопроводе через объемный расход:Similar to the derivation of formulas (3, 6), we express the mass flow rate in the additional pipeline through the volumetric flow rate:

; ;

; (14) ; (14)

. (15) . (15)

Формулы (14) и (15) следует использовать в случае применения в качестве расходомера 3 (фиг. 3) объемного расходомера того или иного типа, измеряемой величиной которого является объемный расход.Formulas (14) and (15) should be used in the case of using a volumetric flow meter of one type or another as the flow meter 3 (Fig. 3), the measured value of which is the volumetric flow rate.

Состав устройства по варианту 4 приведен на чертеже фиг. 4.The composition of the device according to variant 4 is shown in the drawing Fig. 4.

Устройство по варианту 4 включает в себя основной трубопровод 1, дополнительный трубопровод 2, расходомер 3, сужающее устройство того или иного типа, в частности труба или сопло Вентури 4, датчик перепада давления (дифференциального давления) 5. Основной трубопровод 1 заключает в себе поток среды, массовый расход которого подлежит измерению. Дополнительный трубопровод 2 представляет собой трубопровод, соединенный с основным трубопроводом 1 на двух участках А и B, причем участок B соответствует горловине трубы Вентури. Расходомер 3 предназначен для измерения объемного либо массового расхода среды в дополнительном трубопроводе 2. Сужающее устройство, в частности сопло или труба Вентури 4, представляет собой средство для осуществления движения жидкости в дополнительном трубопроводе в представленном направлении от входного участка A к выходному участку B. Датчик перепада давления (дифференциального давления) 5 предназначен для измерения разности давлений между точками, одна из которых лежит до участка разделения основного и дополнительного потоков А, а другая после него. Состав устройства по схеме варианта 4 (фиг. 4) близок к составу изобретения, описанного в патентном документе [3], но устройства различаются по схеме подключения датчика перепада давления поз. 5, по функциональному назначению его в составе устройства, и по принципу действия всего устройства.The device according to variant 4 includes a main pipeline 1, an additional pipeline 2, a flow meter 3, a restriction device of one type or another, in particular a pipe or a Venturi nozzle 4, a pressure drop sensor (differential pressure) 5. The main pipeline 1 contains a flow of a medium, the mass flow of which is subject to measurement. The additional pipeline 2 is a pipeline connected to the main pipeline 1 in two sections A and B, where section B corresponds to the neck of the Venturi tube. The flow meter 3 is intended to measure the volumetric or mass flow rate of the medium in the additional pipeline 2. The narrowing device, in particular the nozzle or Venturi tube 4, is a means for implementing the movement of liquid in the additional pipeline in the shown direction from the inlet section A to the outlet section B. The differential pressure sensor 5 is intended to measure the difference in pressure between points, one of which lies before the section of separation of the main and additional flows A , and the other after it. The composition of the device according to the diagram of variant 4 (Fig. 4) is close to the composition of the invention described in the patent document [3], but the devices differ in the connection diagram of the differential pressure sensor pos. 5, in its functional purpose as part of the device, and in the operating principle of the entire device.

Устройство по варианту 4 работает следующим образом. Основной трубопровод 1 заполнен средой (жидкостью), движущейся в указанном стрелкой направлении с массовым расходом . Поскольку на участках A и B площадь сечения трубопровода различается, то по закону Бернулли появляется разность давлений между сечениями A и B. Далее, поскольку на указанных участках A и B выполнено соединение основного и дополнительного трубопроводов 1 и 2, вследствие указанной разности давлений появляется поток в дополнительном трубопроводе. Жидкость поступает в дополнительный трубопровод со входа А, проходит через расходомер 3, и затем через выход В возвращается в основной трубопровод 1. С помощью расходомера 3 осуществляют измерение массового расхода дополнительного потока либо объёмного расхода дополнительного потока QV2. Как указано выше, между точками потока, одна из которых находится выше области разделения потоков А, а другая ниже этой области, возникает перепад давления Δρ1. Перепад давления Δρ1 определяется формулой:The device according to variant 4 operates as follows. The main pipeline 1 is filled with a medium (liquid) moving in the direction indicated by the arrow with a mass flow rate . Since the cross-sectional area of the pipeline is different in sections A and B , then according to Bernoulli's law, a pressure difference appears between sections A and B. Further, since the main and additional pipelines 1 and 2 are connected in sections A and B , due to this pressure difference, a flow appears in the additional pipeline. The liquid enters the additional pipeline from inlet A , passes through flow meter 3, and then returns to the main pipeline 1 through outlet B. Using flow meter 3, the mass flow rate of the additional flow is measured. or the volumetric flow rate of the additional flow Q V2 . As indicated above, between the points of the flow, one of which is located above the flow separation region A, and the other below this region, a pressure difference Δρ 1 arises. The pressure difference Δρ 1 is determined by the formula:

, (16) , (16)

где - массовый расход среды в дополнительном трубопроводе 2, ρ - плотность среды, S - площадь поперечного сечения трубопровода 1.Where - mass flow rate of the medium in additional pipeline 2, ρ - density of the medium, S - cross-sectional area of pipeline 1.

Из формулы (16) можно выразить величину массового расхода основного потока т0:From formula (16) we can express the value of the mass flow rate of the main flow t 0 :

(17) (17)

Далее формула (17) для вычисления массового расхода основного потока может быть использована различным образом, в зависимости от типа расходомера 3, применяемого в составе схемы варианта 4, и его измеряемой величины. Если в качестве расходомера 3 применяют массовый расходомер Кориолиса, измеряемой величиной которого является массовый расход потока в трубопроводе 2, то формулу (17) используют непосредственно. Если в качестве расходомера 3 применяют расходомер другого типа, измеряемой величиной которого является объёмный расход среды QV2, то выполняем дальнейшее преобразование. Выражаем в формуле (17) массовый расход через объёмный расход и плотность среды:Next is formula (17) for calculating the mass flow rate of the main flow can be used in different ways, depending on the type of flow meter 3 used in the circuit of variant 4, and its measured value. If a Coriolis mass flow meter is used as flow meter 3, the measured value of which is the mass flow rate of the flow in pipeline 2, then formula (17) is used directly. If a flow meter of a different type is used as flow meter 3, the measured value of which is the volumetric flow rate of the medium Q V2 , then we perform a further transformation. We express the mass flow in formula (17) through the volumetric flow rate and density of the medium:

Технический результат изобретения - осуществление измерения массового расхода потока среды в трубопроводах как малого диаметра до 150 мм, так и большого диаметра свыше 150 мм при сохранении или увеличении диапазона измерения, при сохранении или снижении погрешности измерения и при уменьшении конструктивной сложности и стоимости устройства.The technical result of the invention is the measurement of the mass flow rate of a medium in pipelines of both small diameters up to 150 mm and large diameters over 150 mm while maintaining or increasing the measurement range, while maintaining or reducing the measurement error and while reducing the design complexity and cost of the device.

Указанный технический результат достигается за счёт нескольких отличий от приведённых аналогов.The specified technical result is achieved due to several differences from the given analogues.

По сравнению с аналогами, описанными в документах [1, 2], заявленный способ обеспечивает значительное расширение диапазона измерения расхода и увеличение наибольшего диаметра трубопровода, на котором он может быть использован, за счёт исключения необходимости изгибных колебаний трубопровода.Compared to analogs described in documents [1, 2], the claimed method provides a significant expansion of the flow measurement range and an increase in the largest pipeline diameter on which it can be used, by eliminating the need for bending vibrations of the pipeline.

По сравнению с аналогом, описанным в документе [3], заявленный способ обеспечивает расширение диапазона измерения расхода за счёт исключения квадратичного характера зависимости измеренного перепада давления, влияющего на определение массового расхода, от массового расхода, и за счёт замены указанной зависимости на линейную зависимость.Compared to the analogue described in document [3], the claimed method provides for an expansion of the flow measurement range by eliminating the quadratic nature of the dependence of the measured pressure drop, which affects the determination of the mass flow rate, on the mass flow rate, and by replacing the said dependence with a linear dependence.

По сравнению с аналогом, описанным в документе [3], заявленный способ обеспечивает снижение погрешности измерения массового расхода потока среды за счёт прямого измерения перепада давления на участке, относящемся к полному потоку, и за счёт простого вида функциональной зависимости между влияющими величинами и искомой величиной массового расхода потока среды. В описании же указанного аналога прямое измерение перепада давления осуществляется на части потока для определения вязкости среды, а для определения массового расхода указанной части потока выполняется многоступенчатый расчёт на основе зависимости сложного вида, и затем массовый расход полного потока определяют как сумму расходов указанной части потока и измеренного расхода через расходомер.Compared to the analog described in document [3], the claimed method reduces the error in measuring the mass flow rate of a medium flow by directly measuring the pressure drop in a section related to the total flow, and by using a simple functional relationship between the influencing quantities and the desired value of the mass flow rate of the medium flow. In the description of the said analog, direct measurement of the pressure drop is performed on a section of the flow to determine the viscosity of the medium, and to determine the mass flow rate of the specified section of the flow, a multi-stage calculation is performed based on a complex relationship, and then the mass flow rate of the total flow is determined as the sum of the flow rates of the specified section of the flow and the measured flow rate through the flow meter.

По сравнению с аналогом, описанным в патентном документе [4], заявленный способ обеспечивает уменьшение конструктивной сложности и стоимости устройства расходомера за счёт исключения знакопеременного колебательного характера воздействия на жидкость в трубопроводах, и как следствие исключения из конструкции устройства поршня, привода поршня, герметизирующих устройств поршня и приводаCompared with the analogue described in the patent document [4], the claimed method ensures a reduction in the design complexity and cost of the flow meter device by eliminating the alternating oscillatory nature of the effect on the liquid in the pipelines, and as a consequence, eliminating the piston, piston drive, piston sealing devices and drive from the design of the device.

Перечень документовList of documents

1. Method and apparatus for mass flow rate measurement. Патент США №4109524, 1978.1. Method and apparatus for mass flow rate measurement. US Patent No. 4109524, 1978.

2. Кремлёвский П.П. Расходомеры и счётчики количества: Справочник. - 4-е изд., перераб. и доп. - Л: Машиностроение, 1989, с. 354.2. Kremlevskiy P.P. Flow meters and quantity counters: Handbook. - 4th ed., revised and enlarged. - L: Mashinostroenie, 1989, p. 354.

3. Расходомер перепускного типа Патент RU №2181477, опубл. 20.04.2002, бюл. №11.3. Bypass-type flow meter Patent RU No. 2181477, published 20.04.2002, Bulletin No. 11.

4. Патент №2445602 С2 Российская Федерация, МПК G01N 9/00. Инерционный способ определения плотности и (или) массового расхода жидкости (газа) / В.И. Чудин, (О.В. Жиляев, П.В. Ушков; заявитель Научно-производственное общество с ограниченной ответственностью «Новые технологии эксплуатации скважин» (ООО НПО НТЭС). №.2010121065/28: заявл. 24.05.2010, опубл. 20.03.2012.4. Patent No. 2445602 C2 Russian Federation, IPC G01N 9/00. Inertial method for determining the density and (or) mass flow rate of a liquid (gas) / V.I. Chudin, (O.V. Zhilyaev, P.V. Ushkov; applicant Scientific and Production Limited Liability Company "New Well Operation Technologies" (OOO NPO NTES). No. 2010121065/28: declared 24.05.2010, published 20.03.2012.

5. Жиляев, О.В. Применение подхода, основанного на динамике частицы переменной массы, к совершенствованию математической модели инерционного расходомера / О.В. Жиляев, В.Н. Ковальногов // Автоматизация процессов управления. - 2023. - №2(72). - С. 44-52. - DOI 10.35752/1991-2927-2023_2_72_44. - EDN OTKRBH.5. Zhilyaev, O. V. Application of an approach based on the dynamics of a particle of variable mass to improving the mathematical model of an inertial flowmeter / O. V. Zhilyaev, V. N. Kovalnogov // Automation of control processes. - 2023. - No. 2 (72). - P. 44-52. - DOI 10.35752/1991-2927-2023_2_72_44. - EDN OTKRBH.

6. Жиляев О.В. Использование модели тела переменной массы при построении математической модели инерционного расходомера / В сборнике научных статей по итогам работы Международного научного форума «Наука и инновации - современные концепции (г. Москва, 20 июня 2024 г.). Москва: Изд-во Инфинити, 2024., С. 129-139.6. Zhilyaev O.V. Using a model of a body with variable mass in constructing a mathematical model of an inertial flowmeter / In the collection of scientific articles following the results of the International Scientific Forum "Science and Innovation - Modern Concepts (Moscow, June 20, 2024). Moscow: Infinity Publishing House, 2024., pp. 129-139.

Claims (2)

1. Способ измерения массового расхода потока среды, движущейся по трубопроводу, при котором осуществляют на некотором участке трубопровода добавление определенного количества среды в поток либо отбор определенного количества среды из потока, измеряют объемный либо массовый расход потока, с которым производятся указанные добавление либо отбор среды, измеряют перепад давления между двумя точками, находящимися одна выше указанного участка по потоку, а другая ниже него по потоку, и далее на основе измеренного перепада давления и измеренного расхода добавленного либо отобранного потока при помощи математических операций определяют массовый расход потока среды, отличающийся тем, что указанные добавление либо отбор среды осуществляют за счет потока постоянного направления.1. A method for measuring the mass flow rate of a medium moving through a pipeline, which involves adding a certain amount of medium to the flow or removing a certain amount of medium from the flow at a certain section of the pipeline, measuring the volumetric or mass flow rate of the flow with which said addition or removal of the medium is carried out, measuring the pressure drop between two points, one located upstream of said section and the other downstream of it, and then, based on the measured pressure drop and the measured flow rate of the added or removed flow, using mathematical operations, determining the mass flow rate of the medium, characterized in that said addition or removal of the medium is carried out by a flow of constant direction. 2. Устройство для измерения массового расхода потока среды, включающее трубопровод основной, трубопровод дополнительный, причем основной и дополнительный трубопроводы соединены на некотором участке, расходомер, установленный на дополнительном трубопроводе, средство, вызывающее поток среды постоянного направления через дополнительный трубопровод, датчик перепада давления, отличающееся тем, что датчик перепада давления подключен к трубопроводу основному в двух точках, одна из которых находится выше указанного участка по потоку, а другая ниже него по потоку.2. A device for measuring the mass flow rate of a medium, including a main pipeline, an additional pipeline, wherein the main and additional pipelines are connected at a certain section, a flow meter installed on the additional pipeline, a means for causing a flow of medium in a constant direction through the additional pipeline, a differential pressure sensor, characterized in that the differential pressure sensor is connected to the main pipeline at two points, one of which is located upstream of the said section, and the other downstream of it.
RU2024125390A 2024-08-28 Inertial method of medium mass flow rate measuring and device for its implementation RU2847453C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2847453C1 true RU2847453C1 (en) 2025-10-03

Family

ID=

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2181477C2 (en) * 1996-01-17 2002-04-20 Майкро Моушн, Инк. Flowmeter of overflow type
CN201181224Y (en) * 2008-04-09 2009-01-14 中国矿业大学 Bypass in-line flowmeter
RU2445602C2 (en) * 2010-05-24 2012-03-20 Виктор Иванович Чудин Inertia method of determining density and (or) mass flow of liquid (gas)

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2181477C2 (en) * 1996-01-17 2002-04-20 Майкро Моушн, Инк. Flowmeter of overflow type
CN201181224Y (en) * 2008-04-09 2009-01-14 中国矿业大学 Bypass in-line flowmeter
RU2445602C2 (en) * 2010-05-24 2012-03-20 Виктор Иванович Чудин Inertia method of determining density and (or) mass flow of liquid (gas)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Жиляев, О.В. Применение подхода, основанного на динамике частицы переменной массы, к совершенствованию математической модели инерционного расходомера / О.В. Жиляев, В.Н. Ковальногов // Автоматизация процессов управления. - 2023. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8521436B2 (en) Multi-phase fluid measurement apparatus and method
CA2647242C (en) Single and multiphase fluid measurements
CA3011242C (en) Multi-phase coriolis measurement device and method
CA2683385C (en) Wet gas measurement
EP2192391A1 (en) Apparatus and a method of measuring the flow of a fluid
US8855948B2 (en) Wet gas measurement
Pereira Flow meters: part 1
Dong et al. Study on the measurement accuracy of an improved cemented carbide orifice flowmeter in natural gas pipeline
RU2847453C1 (en) Inertial method of medium mass flow rate measuring and device for its implementation
Bian et al. A dual-parameter measuring method for wet steam based on the characteristics of differential pressure under phase-isolation state
Cascetta Short history of the flowmetering
RU2521721C1 (en) Measuring method of component-by-component flow rate of gas-liquid mixture
US11815524B2 (en) Volume fraction meter for multiphase fluid flow
Head Coefficients of float-type variable-area flowmeters
RU72763U1 (en) DENSITY-FLOW METER OF LIQUID OR GAS MEDIA
Chen et al. Numerical Investigation of Gas–Liquid Two-Phase Flow in a Swirl Meter
US3338097A (en) Mass flowmeter
CN205138945U (en) Non -Newtonian fluid density on - line measuring device
Baboo Principles of Mass Flow meters
Replogle FLOW METERS FOR WATER RESOURCE MANAGEMENT 1
AU2022271440B2 (en) Determining a vapor pressure using a vapor pressure meter factor
Mettlen Mass flow measurement
RU62164U1 (en) "OMEGA" TWO PHASE FLOW METER FOR MEASURING PRODUCT DEBIT OF OIL WELLS
CN107543587A (en) Flow measuring apparatus is blended in a kind of gas-liquid two-phase
Furness et al. Commercially available flowmeters and future trends