СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДА РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ ПО МАГИСТРАЛИ ПОДАЧИ И СИСТЕМА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДА

Изобретение относится к способам и устройствам для измерения объемного (массового) расхода текучей среды путем пропускания ее через измерительное устройство непрерывным потоком с измерением давления или перепада давления.

Известен способ определения расхода рабочей жидкости по магистрали подачи (Е.З.Рабинович, "Гидравлика", М.: Недра, 1974, стр.87), принятый за прототип, заключающийся в предварительной тарировке участка магистрали подачи с определением тарировочной характеристики расхода рабочей жидкости в зависимости от перепада ее статического давления на участке магистрали подачи и последующем измерении статического давления на входе и на выходе участка магистрали подачи при расходе рабочей жидкости с определением перепада статического давления и по тарировочной характеристике ее расхода.

Все существенные признаки известного способа совпадают с существенными признаками предлагаемого способа определения расхода рабочей жидкости по магистрали подачи.

Известна система для определения расхода рабочей жидкости (Е.З.Рабинович, "Гидравлика", М.: Недра, 1974, стр.87, рис.64), включающая участок магистрали подачи рабочей жидкости, датчик статического давления (пьезометр), сообщенный с входом участка магистрали подачи, и дополнительный датчик статического давления (дополнительный пьезометр), сообщенный с выходом участка магистрали подачи. Участок магистрали подачи снабжен дросселем. При большом отношении длины к диаметру участка магистрали подачи или большой скорости течения рабочей жидкости ввиду больших гидравлических потерь давления дроссель может не устанавливаться. При больших значениях статического давления рабочей жидкости вместо пьезометров могут быть использованы другие типы датчиков давления, например потенциометрические.

Существенными признаками предлагаемого устройства, совпадающими с признаками прототипа, являются следующие: система для определения расхода рабочей жидкости, включающая участок магистрали подачи рабочей жидкости, датчик статического давления, сообщенный с входом участка магистрали подачи, и дополнительный датчик статического давления, сообщенный с выходом участка магистрали подачи.

В известном способе и устройстве определения расхода рабочей жидкости по магистрали подачи при больших скоростях течения жидкости обеспечивается уменьшение потребной массы и диаметра магистрали подачи рабочей жидкости, что облегчает ее компоновку при разработке конструкции, например, топливных магистралей транспортных средств. Однако течение рабочей жидкости с большой скоростью сопровождается значительными пульсациями ее статического давления, что увеличивает погрешность определения расхода известным способом и устройством.

Предлагаемым способом и устройством решается задача уменьшения погрешности определения расхода рабочей жидкости по магистрали подачи при больших скоростях течения с пульсациями статического давления.

Для решения поставленной задачи в способе определения расхода рабочей жидкости по магистрали подачи, заключающемся в предварительной тарировке участка магистрали подачи с определением тарировочной характеристики расхода рабочей жидкости в зависимости от перепада ее статического давления на участке магистрали подачи и последующем измерении статического давления на входе и на выходе участка магистрали подачи при расходе рабочей жидкости с определением перепада статического давления и по тарировочной характеристике ее расхода, вход участка магистрали подачи сообщают с герметичной емкостью, заполненной газом, и измерение статического давления на входе участка магистрали подачи при его тарировке и последующем определении расхода рабочей жидкости осуществляют в герметичной емкости после ее частичного заполнения рабочей жидкостью. Кроме того, для дополнительного уменьшения погрешности определения расхода рабочей жидкости при небольших перепадах давления на участке магистрали подачи выход участка магистрали подачи сообщают с дополнительной герметичной емкостью, заполненной газом, и измерение статического давления на выходе участка магистрали подачи при его тарировке и измерении расхода рабочей жидкости осуществляют в дополнительной герметичной емкости после ее частичного заполнения рабочей жидкостью; для обеспечения возможности определения расхода рабочей жидкости при значительном изменении ее температуры в процессе подачи потребителю, при тарировке участка магистрали подачи определяют несколько тарировочных характеристик для различных температур рабочей жидкости, а при расходе рабочей жидкости измеряют ее температуру, и расход рабочей жидкости определяют по тарировочной характеристике, соответствующей измеренной температуре; для обеспечения определения расхода рабочей жидкости при воздействии на магистраль подачи внешней перегрузки при ускоренном ее движении в составе объекта, например транспортного средства, при расходе рабочей жидкости измеряют действующую на магистраль подачи перегрузку, определяют ее проекцию на прямую, проходящую через вход и выход участка магистрали подачи вычисляют гидростатическое давление столба рабочей жидкости на участке магистрали подачи от проекции перегрузки и в зависимости от ее направления к входу или выходу участка магистрали подачи вычитают его из соответствующего измеренного статического давления и определяют перепад статического давления с учетом проведенной корректировки.

Предлагаемый способ отличается тем, что вход участка магистрали подачи сообщают с герметичной емкостью, заполненной газом, и измерение статического давления на входе участка магистрали подачи при его тарировке и последующем определении расхода рабочей жидкости осуществляют в герметичной емкости после ее частичного заполнения рабочей жидкостью. Кроме того, выход участка магистрали подачи сообщают с дополнительной герметичной емкостью, заполненной газом, и измерение статического давления на выходе участка магистрали подачи при его тарировке и измерении расхода рабочей жидкости осуществляют в дополнительной герметичной емкости после ее частичного заполнения рабочей жидкостью; при тарировке участка магистрали подачи определяют несколько тарировочных характеристик для различных температур рабочей жидкости, а при расходе рабочей жидкости измеряют ее температуру, а расход рабочей жидкости определяют по тарировочной характеристике, соответствующей измеренной температуре; при расходе рабочей жидкости измеряют действующую на магистраль подачи перегрузку, определяют ее проекцию на прямую, проходящую через вход и выход участка магистрали подачи вычисляют гидростатическое давление столба рабочей жидкости на участке магистрали подачи от проекции перегрузки и в зависимости от ее направления к входу или выходу участка магистрали подачи вычитают его из соответствующего измеренного статического давления и определяют перепад статического давления с учетом проведенной корректировки.

Для решения поставленной задачи в системе для определения расхода рабочей жидкости, включающей участок магистрали подачи рабочей жидкости, датчик статического давления, сообщенный с входом участка магистрали подачи, и дополнительный датчик статического давления, сообщенный с выходом участка магистрали подачи, вход участка магистрали подачи сообщен с герметичной емкостью, заполненной газом, а датчик статического давления сообщен с входом участка магистрали подачи через герметичную емкость. Кроме того, для дополнительного уменьшения погрешности определения расхода рабочей жидкости при небольших перепадах давления на участке магистрали подачи выход участка магистрали подачи сообщен с дополнительной герметичной емкостью, заполненной газом, а дополнительный датчик статического давления сообщен с выходом участка магистрали подачи через дополнительную емкость; для дополнительного уменьшения погрешности определения расхода рабочей жидкости и обеспечения возможности определения расхода рабочей жидкости при значительном изменении ее температуры в процессе подачи потребителю система снабжена устройством измерения температуры рабочей жидкости; для обеспечения определения расхода рабочей жидкости при воздействии на магистраль подачи внешней перегрузки при ускоренном ее движении в составе объекта, например транспортного средства, система снабжена устройством измерения действующей на магистраль подачи перегрузки.

Отличительными признаками предлагаемой системы для определения расхода рабочей жидкости являются сообщение входа участка магистрали подачи с герметичной емкостью, заполненной газом, и сообщение датчика статического давления с входом участка магистрали подачи через герметичную емкость. Кроме того, дополнительно, сообщение выхода участка магистрали подачи с дополнительной герметичной емкостью, заполненной газом, и сообщение дополнительного датчика статического давления с выходом участка магистрали подачи через дополнительную герметичную емкость; снабжение системы определения расхода устройством измерения температуры рабочей жидкости; снабжение системы определения расхода устройством измерения действующей на магистраль подачи перегрузки.

Благодаря наличию указанных отличительных признаков в совокупности с известными достигается следующий технический результат: обеспечивается уменьшение погрешности определения расхода рабочей жидкости по магистрали подачи при больших скоростях течения с пульсациями статического давления. Дополнительно, обеспечивается возможность определения расхода рабочей жидкости при значительном изменении ее температуры в процессе подачи потребителю; обеспечивается определение расхода рабочей жидкости при воздействии на магистраль подачи внешней перегрузки при ускоренном движении магистрали в составе объекта, например транспортного средства.

Предложенные технические решения могут найти применение в магистралях подачи топлива с большой скоростью в двигатель скоростных и маневренных транспортных средств (автомобилей, беспилотных летательных аппаратов), с малым диаметром, объемом и массой магистрали подачи, эксплуатирующихся в широком диапазоне температур окружающей среды.

Сущность предлагаемого способа определения расхода рабочей жидкости по магистрали подачи и системы определения расхода поясняется фиг.1 и фиг.2.

На фиг.1 представлена система для определения расхода рабочей жидкости. На фиг.2 представлены тарировочные характеристики расхода рабочей жидкости в зависимости от перепада ее статического давления на участке магистрали подачи для различных температур рабочей жидкости.

Представленная на рисунке система для определения расхода рабочей жидкости по магистрали подачи включает участок 1 магистрали подачи рабочей жидкости, датчик 2 статического давления, сообщенный с входом (точка А) участка 1 магистрали подачи, и дополнительный датчик 3 статического давления, сообщенный с выходом Б участка 1 магистрали подачи, вход А участка магистрали подачи, сообщен линией 4 с герметичной емкостью 5, заполненной газом, при этом датчик 2 статического давления сообщен с входом А участка 1 магистрали подачи через герметичную емкость 5. Выход Б участка 1 магистрали подачи сообщен линией 6 с дополнительной герметичной емкостью 7, заполненной газом, а дополнительный датчик 3 статического давления сообщен с выходом Б участка 1 магистрали подачи через дополнительную емкость 7; система снабжена устройством 8 измерения температуры рабочей жидкости. Устройство 8 может быть выполнено в виде поверхностной термопары или средового датчика температуры. Система снабжена устройством измерения действующей на магистраль подачи перегрузки, выполненным в виде трех датчиков 9, 10 и 11 перегрузки, расположенных по осям x, y и z пространственной системы координат. Система включает тарировочные характеристики 12, 13 и 14 (фиг.2) расхода рабочей жидкости (G, кг/с) в зависимости от перепада ее статического давления (ΔР, Н/м²) на участке 1 магистрали подачи для различных температур рабочей жидкости 5, 15 и 30°C соответственно.

Система для определения расхода рабочей жидкости на магистрали подачи работает следующим образом. Предварительно проводится тарировка участка 1, см. фиг.1, магистрали подачи с определением тарировочных характеристик и расхода рабочей жидкости в зависимости от перепада ее статического давления на участке 1 при определенной температуре рабочей жидкости, например 5°C. Для этого на вход А участка 1 подают рабочую жидкость с определенным расходом (G1), который измеряют известным устройством (расходомером), установленным в магистрали подачи перед участком 1 или за участком 1, либо путем слива жидкости в мерную емкость (на рисунке не показаны). При этом посредством датчиков 2 и 3 измеряют статическое давление рабочей жидкости на входе (Р_А) и на выходе (Р_Б) участка 1 и вычисляют перепад статического давления ΔP₁=Р_А-P_Б, соответствующий расходу рабочей жидкости G₁. Аналогично определяются значения ΔР₂, ΔР₃…ΔР_n для значений расходов G₂, G₃…G_n, по которым строят тарировочную характеристику 12 (фиг.2) для температуры рабочей жидкости +5°C. Аналогично, после соответствующего нагрева рабочей жидкости производится тарировка участка 1 магистрали подачи и строятся тарировочные характеристики 13 и 14 для температур рабочей жидкости +15°C и +25°C. При необходимости тарировка участка 1 может быть выполнена с меньшим шагом по температуре, либо построены промежуточные тарировочные характеристики после установления алгоритмической зависимости перепада статического давления от температуры рабочей жидкости для конкретных значений ее расхода по данным проведенной тарировки участка 1 с более крупным шагом по температуре рабочей жидкости. При тарировке и подаче рабочей жидкости потребителю с большой скоростью под действием статического давления в точках А и Б участка 1 по линиям 4 и 6 происходит частичное заполнение герметичной емкости 5 и дополнительной герметичной емкости 7 соответственно до момента, пока давление в емкостях 5 и 7 не уравновесит статическое давление в точках А и Б участка 1 соответственно. Конкретному расходу жидкости по участку 1 магистрали подачи соответствуют конкретные значения статического давления в точках А и Б и емкостях 5 и 7, измеряемых датчиками 2 и 3 соответственно, при этом пульсации давления рабочей жидкости в линиях 4 и 6 и связанные с пульсациями колебания столбов жидкости в линиях 4 и 6 практически не изменяют ее объемы в емкостях 5 и 7, а следовательно, влияют на измерение давлений датчиками 2 и 3, что и обеспечивает повышение точности измерения перепада статического давления рабочей жидкости в малогабаритных системах подачи при ее течении с большой скоростью. Ответственно на тарировочной характеристике, соответствующей измеренной температуре, по более точному перепаду статического давления обеспечивается более точное с меньшей погрешностью как построение тарировочной характеристики, так и определение расхода рабочей жидкости. При движении участка 1 в составе объекта (автомобиля, беспилотного летательного аппарата) с перегрузкой n датчики перегрузки 9-11 (фиг.1) определяют векторы , и проекции перегрузки n на оси пространственной системы координат x, y, z. По векторам , и определяется величина и направление действия перегрузки , и с помощью геометрических преобразований ее проекция на прямую, соединяющую точки А и Б участка 1, которая через второй закон Ньютона определяет гидростатическое давление в точке Б от действующей перегрузки -

Р_n=F_n/S_м, где

F_n - сила, действующая на рабочую жидкость на участке 1 магистрали подачи в направлении действия перегрузки ;

S_м - площадь поперечного сечения магистрали подачи;

F_n=m·a, где

m - масса столба рабочей жидкости в направлении действия перегрузки ;

а - ускорение, действующее на рабочую жидкость в направлении АБ;

m=ρ·h_АБ·S_м, где

ρ - плотность рабочей жидкости;

h_АБ - высота столба рабочей жидкости на участке 1 магистрали подачи - кратчайшее расстояние между точками А и Б;

а=n_АБ·g, где

g=9,81 м/с² - гравитационное ускорение;

F_n=m·а=ρ·h_АБ·S_м·g·n_АБ, Р_n=F_n/S_м=ρ·n_АБ·g·h_АБ.

После вычитания значения Р_n из показания датчика 3 (фиг.1) определяется перепад статического давления ΔР на участке 1, связанный с расходом рабочей жидкости без учета гидростатического давления от действия перегрузки , ΔP=P_А-(P_А-P_n), то есть для условий, соответствующих построению тарировочной характеристики, по которой, например, при температуре рабочей жидкости 15°С для значения ΔР⁺¹⁵ определяется ее расход G_р.ж. ⁺¹⁵, см. фиг.2. В случае противоположного направления проекции (от точки Б к точке А) давление Р_n вычитается из показаний датчика 2 и аналогично определяется расход рабочей жидкости по магистрали подачи.