Результат интеллектуальной деятельности: Компенсированный объемный счетчик газа

Изобретение относится к газовой технике и может быть использовано в системах газоснабжения производственных и бытовых потребителей.

Известен объёмный счётчик газа [1], содержащий две камеры, разделённые каждая эластичной мембраной на две полости, попеременно переключаемые переключателем с выходного на входной патрубки счётчика. При этом пока одна из них заполняется фиксированной порцией газа, вторая отдаёт эту порцию потребителю. Учёт отпущенного газа производится по числу циклов переключения полостей.

Однако в данном счётчике время, за которое происходит переключение полостей с периода заполнения на период отдачи газа сопоставимо с временем цикла. Поэтому, чтобы во время переключения исключить прямое (минуя полости) прохождение газа из магистрали потребителю, переключатель предварительно перекрывает выходы обеих полостей, затем также сравнительно медленно открывает их одной с заполнения на отдачу газа, второй - с отдачи на заполнение. А чтобы поступление газа потребителю во время переключения не прерывалось, в счётчике параллельно устанавливается вторая камера, цикл заполнения и опорожнения в которой сдвинут по отношению к циклу заполнения первой камеры на четверть периода. Это в два раза увеличивает габариты и количество деталей счётчика, что в итоге увеличивает обременительную для потребителя его стоимость и снижает надёжность.

От этого недостатка свободен Объёмный счётчик газа по патенту № 2779382 [2]. Он содержит камеру, разделённую эластичной мембраной с центральной частью в виде жёсткого диска на первую и вторую полости, механическое отсчётное устройство, биметаллический температурный корректор показаний счётчика, ползунок переключателя полостей с выходного на входной патрубки счётчика, седло переключателя, два крайних окна которого связаны соответственно с первой и второй полостями, а среднее – с выходным патрубком счётчика, рычаги связи мембраны с ползунком, преобразователь возвратно-поступательного движения ползунка во вращательное движение входного вала механического отсчётного устройства, устройство калибровки счётчика, температурный корректор выполнен в виде 2-х биметаллических пластин, жёстко прикреплённых одними концами к двум сторонам диска диафрагмы так, что другие концы пластин ориентированы по оси диска, рычаги связи тарелки диафрагмы и ползунка пружинящие и подвижно связаны с ползунком через крайние окна седла переключателя, к торцам ползунка по ходу его движения с той и другой сторон прикреплены ферромагнитные пластины, взаимодействующие с постоянными магнитами, установленными напротив каждой из них на седле переключателя, с возможностью регулировки зазора между полюсами магнитов и ферромагнитными пластинами посредством винтов, выполняющих роль устройства калибровки счётчика, а преобразователь возвратно-поступательного движения ползунка во вращательное движение входного вала механического отсчётного устройства выполнен в виде храпового механизма.

Объёмные счётчики газа осуществляют измерение объёма отпущенного газа, в то время, как и потребителя и поставщика интересует более объективный показатель его количества - масса газа. Однако согласно уравнению Клайперона-Менделеева

или ,

где V - объём газа, м³;

Р - давление газа, Па;

Т - температура газа, К;

Z = P/T - обобщенный возмущающий фактор, Па/K;

R - газовая постоянная, равная 286,69 Дж/(кг⋅К);

m - масса газа, кг,

связь между объёмом и массой не однозначна. Возмущающими факторами являются давление и температура газа. Расчёты показывают, что в диапазоне возможных изменений температуры газа погрешность измерений составляет ±7%, а в диапазоне изменений давления - ±6%. Поэтому большинство объёмных счётчиков газа оснащены биметаллическими корректорами температурной погрешности, в то время как коррекция показаний счётчиков в зависимости от величины давления отсутствует.

Целью предполагаемого изобретения является устранение указанного недостатка, а именно: оснащение счётчика газа корректором показаний, обеспечивающим коррекцию, как по температуре, так и по давлению газа.

Технический результат достигается за счет того, что в компенсированном объёмном счётчике газа, содержащем камеру, разделённую эластичной мембраной с центральной частью в виде жёсткого диска на первую и вторую полости, механическое отсчётное устройство, корректор показаний счётчика, ползунок переключателя полостей с выходного на входной патрубки счётчика, седло переключателя, два крайних окна которого связаны соответственно с первой и второй полостями, а среднее – с выходным патрубком счётчика, рычаги связи мембраны с ползунком, преобразователь возвратно-поступательного движения ползунка во вращательное движение механического отсчётного устройства, устройство калибровки счётчика, пружинящие рычаги связи тарелки диафрагмы и ползунка, подвижно связанные с ползунком через крайние окна седла переключателя, к торцам которого по ходу его движения с той и другой сторон прикреплены ферромагнитные пластины, взаимодействующие с постоянными магнитами, установленными напротив каждой из них на седле переключателя, с возможностью регулировки зазора между полюсами магнитов и ферромагнитными пластинами посредством винтов, выполняющих роль устройства калибровки счётчика, выполненный в виде храпового механизма преобразователь возвратно-поступательного движения ползунка во вращательное движение входного вала механического отсчётного устройства, корректор показаний счётчика выполнен в виде размещённого в вертикальном контейнере, вмонтированном в жёсткий диск, герметичного заполненного газом гофра, одним торцом прикреплённого к верхней части контейнера, а другим торцом связан посредством поводка с пластиной в виде прямоугольного треугольника, установленной с возможностью перемещения вдоль оси контейнера в направляющих, закреплённых на внешней стороне контейнера, так что плоскость пластины совпадает с плоскостью поворота рычагов связи мембраны с ползунком, пластина одним катетом касается плоскости контейнера, а острый угол пластины, прилегающий к этому катету, направлен вверх, при чём гофр заполнен таким количеством газа, чтобы при нормальном давлении и нормальной температуре ось мембраны проходила через середину прилегающего к плоскости контейнера катета.

Сущность предполагаемого изобретения поясняется чертежом (фиг. 1 - вид спереди и фиг. 2 - вид на переключатель сверху).

Счётчик содержит камеру 1, разделённую эластичной мембраной 2 с центральной частью в виде жёсткого диска 3 на первую 4 и вторую 5 полости. Ползунок 6 переключателя полостей с выходного 7 на входной 8 патрубки счётчика установлен с возможностью смещения вправо и влево на седле 9 переключателя, два крайних окна которого 10 и 11 связаны соответственно с первой 4 и второй 5 полостями, а среднее 12 – с выходным патрубком счётчика. Ползунок 6 со стороны, прилегающей к седлу, имеет канал 13, соединяющий в крайнем левом положении ползунка окна 10 и 12, а в крайнем правом положении - окна 11 и 12. Рычаги 14 и 15 пружинящие, подвижно связаны с ползунком 6 через крайние окна 10 и 11 седла 9 переключателя. Храповое колесо 16 установлено на оси, жёстко связанной с седлом 9 переключателя полостей, и служит для преобразования возвратно-поступательного движения ползунка 6 во вращательное движение входного вала механического отсчётного устройства (на чертеже не показано). К торцам ползунка 6 по ходу его движения с той и другой стороны прикреплены ферромагнитные пластины 17 и 18, взаимодействующие с постоянными магнитами соответственно 19 и 20, установленными напротив каждой из них на седле 9 переключателя. Зазор между полюсами магнитов и ферромагнитными пластинами регулируется посредством винтов 21 и 22, выполняющих роль устройства калибровки счётчика.

В центральную часть жёсткого диска 3 вмонтирован цилиндрический контейнер 23, ось которого совпадает с вертикальной осью симметрии жёсткого диска. Внутри контейнера соосно размещён гофр 24, верхний торец которого прикреплён к верхней части контейнера, а нижний посредством жёсткого поводка 25 связан с пластиной 26, имеющей форму прямоугольного треугольника. Пластина установлена с возможностью перемещения вдоль контейнера в вертикальном направлении в направляющих 27, закреплённых на внешней поверхности контейнера. Плоскость пластины совпадает с плоскостью поворота рычагов связи мембраны с ползунком, Пластина одним катетом касается плоскости контейнера, а острый угол пластины, прилегающий к этому катету, направлен вверх. Полость гофра связана с полостью 4 через отверстие 28 малого диаметра (1…2 мм), выравнивающего давление снаружи и внутри гофра. В свободном состоянии при равенстве давлений внутри и снаружи гофра (отверстие 28 открыто) под действием веса гофра и пластины гофр должен занимать не менее 80% длины контейнера, а середина стороны пластины, прилегающая к плоскости контейнера, должна лежать на осевой линии диска 3. В таком положении пластины и гофра полости 4 и 5 и полость гофра заполняются газом при нормальном давлении (P₀=101325 Па) и нормальной температуре (T₀=273,16 К). Отверстие 28 надёжно закрывается (например, пайкой).

Все детали заявляемого счётчика газа размещены в корпусе, образующем отсек 29 приёма газа и отсек 30 расхода газа, разделённые окном 12 седла 9 переключателя.

Работает объёмный счётчик газа следующим образом.

Допустим, что давление и температура проходящего через счётчик газа соответствуют нормальным значениям (P₀ и T₀). Допустим также, что в начальный момент времени ползунок 6 переключателя, силой магнитного взаимодействия магнита 19 и ферромагнитной пластины 17 удерживается в крайнем левом положении, как это изображено на рисунке, а мембрана находится в крайнем правом положении (положение 0-0). При этом окно 11 открыто и газ из отсека 29 начинает поступать в полость 5. Мембрана под давлением газа перемещается справа налево, вытесняя газ, заполняющий полость 4, через соединённые по каналу 13 окна 10 и 12 в отсек 30 и далее потребителю. Как только ребро (гипотенузы) пластины 26 коснётся нижнего конца рычага 14, начнётся (при дальнейшем перемещении мембраны) деформация рычага, сопровождающаяся увеличением силы взаимодействия рычага и пластины 26, а, следовательно, и увеличением силы давления верхнего конца этого рычага на ползунок 6. При заполнении полости 4 заранее установленным фиксированным объёмом V₀ газа (мембрана в этот момент займёт положение Y₀-Y₀) потребителю будет передана расчётная масса газа

где S_m - площадь мембраны, м²;

Y₀ - номинальный ход мембраны, м.

Жёсткость плеч рычага рассчитана таким образом, что в этот момент сила воздействия рычага на ползунок 6 переключателя превысит силу притяжения ферромагнитной пластины 17 к магниту 19 и ползунок скачком переместится в крайнее правое положение. С этого момента через открывшееся окно 10 начнётся заполнение газом полости 4 и опорожнение через окна 11 и 12 полости 5. Перемещение ползунка в исходное левое положение осуществится аналогично описанному выше, завершая один из чередующихся друг за другом циклов. При этом храповое колесо 16 привода механического отсчётного устройства за цикл поворачивается на один зубец, соответствующий передаче потребителю массы газа, равной 2m_p.

Поскольку давление и температура газа внутри и снаружи гофра одинаковы, изменение длины X₀ гофра не происходит.

При отклонении температуры и давления газа, массовый расход газа при том же самом объёме потребления изменяется, что приводит появлению погрешности измерения расхода. Поэтому чтобы скомпенсировать погрешность необходимо, пропорционально Z осуществлять изменение степени заполнения полостей 4 и 5.

В соответствии с уравнением Клайперона-Менделеева (PV/T = mR = Const) для рабочих полостей счётчика имеем

Откуда

А прирост хода мембраны

Аналогично для полости гофра при весьма малой его жёсткости

Таким образом, перемещение гофра, а, следовательно, и пластины 26 на величину ∆X будет приводить к соответствующему перемещению мембраны на величину ∆Y, если угол α наклона ребра пластины будет равен arctg(∆Y/∆X). В этом случае будет изменяться ход мембраны и, следовательно, объём порции газа, а масса будет оставаться постоянной, равной расчётной для счётчика определённых размеров величине m_p. Важно при этом, чтобы избежать проскальзывания пластины при контакте с рычагом 14, угол α должен быть меньше угла трения контактируемых поверхностей. Для этого длина гофра X₀ должна быть значительно больше хода мембраны Y_0.

Размеры катетов пластины определяются в зависимости от диапазонов изменения давления и температуры в местах, в которых предполагается эксплуатация подлежащего изготовлению счётчика. Так для катета, противолежащего углу α ,

откуда

∆X_max = ∆X_max/tgα

Настройка точности показаний заявляемого объёмного счётчика газа осуществляется винтами 21 и 22, с помощью которых изменяются зазоры между ферромагнитными пластинами и магнитами. При уменьшении зазора увеличивается сила их взаимного притяжения, поэтому для отрыва ползунка требуется более полное заполнение объёмов полостей. Этим действием исключается завышение показаний счётчика газа по сравнению с фактическим его расходом. И наоборот, если счётчик даёт заниженные показания необходимо увеличивать зазоры между пластинами и магнитами.

Таким образом, в заявляемом объёмном счётчике газа осуществляется компенсация погрешности в требуемых по условиям эксплуатации диапазонах изменения температуры и давления, не только по температуре, но и по давлению.

Источники информации

1. Паспорт 8181.00.000 ПС, СЧЁТЧИК ГАЗА ДИАФРАГМЕННЫЙ С ТЕРМОКОМПЕНСАТОРОМ СГД-3Т// Открытое акционерное общество «Минский механический завод имени С.И. Вавилова - управляющая компания холдинга «БелОМО»».

Счётчик внесён в государственные реестры: Республики Беларусь (регистрационный № РБ 03 07 3632 14); Российской Федерации (регистрационный № 39093-13).

2. Патент на изобретение № 2779382. Объёмный счётчик газа / Петько В.Г., Рахимжанова И.А., Фомин М.Б., Пугачёв В.В., Кононец В.В.. Патентообладатель: ФГБОУ ВО «Оренбургский аграрный университет» Опубл. 06.09.2022 Бюл. № 25.