КОЛОКОЛЬНЫЙ ДИФМАНОМЕТР Российский патент 1994 года по МПК G01L13/02 

Изобретение относится к измерительной технике, а конкретно к средствам измерения перепадов давлений, и может быть использовано для измерения расхода жидкостей, пульп и суспензий, для контроля напора, перепада давлений газов или их расхода.

Известен колокольный жидкостный дифманометр для измерения минимальных избыточных давлений, содержащий погружаемый в жидкость колокол, всплывающий при изменении силы давления, в котором положение колокола в жидкости является мерой минимального избыточного давления, причем одно давление подается сверху колокола, а второе давление подается снизу под колокол.

Недостатком известного колокольного дифманометра является низкая подача избыточного давления через специальную трубку и дополнительный резервуар, расположенный внутри сосуда с жидкостью.

Известен колокольный дифманометр, стодержащий корпус, частично заполненный жидкостью, и погруженный в жидкость отверстием вниз колокол с основанием, два входных патрубка, первый из которых соединен с верхней частью полости корпуса, а второй соединен с полостью колокола, и преобразователь перемещения колокола в электрический сигал, а также рычаг, один конец которого соединен с преобразователем, а второй закреплен на пружине, чувствительный к давлению элемент жестко прикреплен к рычагу, который установлен перпендикулярно плоской пружине и жестко закреплен в средней ее части, оба конца пружины закреплены в постели, имеющей возможность поворота.

Недостатками известного колокольного дифманометра являются низкая точность измерения перепада давлений из-за невысокой чувствительности перемещения колокола при изменении перепада, а также низкая надежность работы по внезапным отказам из-за наличия электромеханического преобразователя перемещений колокола в электрический сигнал.

Целью изобретения является одновременное повышение точности за счет увеличения чувствительности и повышение надежности работы по внезапным отказам за счет исключения движущихся механизмов преобразователе перемещения колокола в электрический сигнал.

На чертеже показан колокольный дифманометр, где для лучшего показа конструкции дан продольный осевой разрез упругой нити в изоляционной оболочке в увеличенном поперечном размере.

Колокольный дифманометр содержит корпус 1, частично заполненный жидкостью 2, погруженный в жидкость 2 отверстием вниз колокол 3 с основанием 4, два входных патрубка 5 и 6, первый из которых соединен с верхней частью полости корпуса 1, а второй соединен с полостью колокола 3, преобразователь перемещения колокола в электрический сигнал. Преобразователь выполнен в виде петли упругой нити 7 из токопроводящей резины, помещенной в изоляционную оболочку 8 из упругого эластичного материала, причем изогнутая часть петли нити 7 торцом 9 жестко соединена с основанием 4 колокола 3 без электрического контакта торца 9 с основанием 4 колокола 3, например, с помощью шайбы 10 и изоляционной прокладки 11. Второй конец петли нити 7 жестко прикреплен к верхней стенке 12 корпуса 1, а концы нити 7 с помощью герметизирующих изоляторов в виде шайбы 13 и прокладки 14 между участками нити 7 пропущены через верхнюю стенку 12 корпуса 1. Свободные концы 15 и 16 петли нити 7 соединены со входами омметра 17. Верхний конец 18 патрубка 6 находится выше уровня 19 жидкости 2 в воздушной полости 20 под колоколом 3. Уровень 21 жидкости 2 вне колокола находится на величину Н выше уровня 19.

Физическая сущность работы колокольного дифманометра заключается в следующем.

Если перепад давлений Р₁ - Р₂ в патрубки 5 и 6 соответственно равен нули, то есть когда давления Р₁ в полости 20 и Р₂ из патрубка 5 равны между собой, то уровни 21 и 19 одинаковы, то есть находятся на одной горизонтали.

Если перепад давлений на колоколе получает некоторое приращение d(P₁ - P₂), то колокол 3 всплывает. Всплытие происходит до тех пор, пока изменение подъемной силы от перепада давлений на колокол в сумме с силой упругой деформации нити 7 и оболочки 8 с прокладкой 11 и изменение гидростатической подъемной силы не уравновесятся. Для показанного на чертеже случая справедливы равенства d(P₁ - P₂)F = (dH + dy) Δtg( ρ_ж-ρ_c) + dH˙K,
(1)
dh = dy + dx, (2)
d(P₁ - P₂) = dh( ρ_ж-ρ_c)g + dH˙K, (3)
fdy = Δ fdH + (Ф - F)dx, (4) где обозначено F - площадь внешнего поперечного сечения колокола,
Н - перемещение колокола (удлинение нити 7),
dy - перемещение жидкости под колоколом,
Δ f - площадь поперечного сечения стенок колокола,
ρ_ж и ρ_c - плотности рабочей жидкости и измеряемой среды,
dh - разность уровней жидкости снаружи и внутри колокола,
dx - перемещение жидкости в широком корпусе,
Ф - площадь поперечного сечения широкого корпуса,
f - внутренняя площадь поперечного сечения колокола,
dН - удлинение нити 7,
К - коэффициент упругости нити 7 с оболочкой 8 и прокладкой 11.

Решая совместно уравнения (1) - (4), получим зависимость
dH = fd(P₁ - P₂)[ Δfg( ρ_ж-ρ_c) + K} ^-1, (5) которая после интегрирования в пределах от нуля до Р₁ - Р₂ преобразуется к виду
Н = f(P₁ - P₂)[(ρ_ж-ρ_c)Δ fg + K] ^-1, (6)
Уравнение (6) представляет собой статическую характеристику колокольного дифманометра с гидростатическим и упругим уравновешиванием одновременно. Для обеспечения перепада давления в широком диапазоне значение отношения площадей f/ Δf должно быть по возможности уменьшено.

Работа дифманометра осуществляется следующим образом.

При увеличении перепада давлений (Р_1- - Р₂) -> max колокол 3 поднимается вверх, так как сумма действующих на колокол сил вверх больше суммы действующих на колокол сил вниз. Подъем колокола будет осуществляться пока суммы обоих сил не станут равными другу другу.

При уменьшении перепада давлений Р₁ - Р₂ от некоторого большого значения сумма действующих вниз на колокол 3 сил будет больше суммы действующих на колокол вверх сил и в результате колокол будет опускаться. Положение колокола в любой момент времени будет однозначно определять перепад давлений Р₁ - Р₂.

Одновременно с вертикальными перемещениями колокола 3 из-за изменений перепада давлений Р₁ - Р₂ изменяется и длина нити 7. Сопротивление нити 7 R, как и сопротивление любого проводника вообще, пропорционально удельному сопротивлению ρ токопроводящей резины и длине нити l и обратно пропорционально поперечному сечению нити S
R = ρ l/S. (7)
Нить 7, оболочка 8 и прокладка 14 при всех перемещениях колокола 3 работают в пределах упругих деформаций, когда при любых изменениях длины нити 7 ее объем остается постоянным. Поэтому при опускании колокола 3 и увеличении длины l нити 7 от l до 2l ее поперечное сечение уменьшается от S до S/2, чтобы объем нити остался постоянным. Если же длина нити увеличивается от l до nl, то сечение нити уменьшается от S до S/n. В первом случае двойного удлинения нити 7 ее сопротивление R согласно (7) увеличится в 4 раза, а при n-кратном удлинении нити ее сопротивление увеличится в n² раз. В результате сопротивление нити 7 будет увеличиваться или уменьшаться пропорционально квадрату ее длины. Омметр 17 в любой момент определяет сопротивление нити 7 и, следовательно, определяет положение колокола 3 или перепад давлений Р₁ - Р₂ так, что показания омметра обратно пропорциональны квадрату перепада давлений. В этом и состоит сущность увеличения чувствительности к перепаду давлений: если перемещение колокола изменяется в 2 раза, то показания омметра 17 изменяются в 4 раза, а при n-кратных изменениях перемещения колокола 3 показания омметра 17 изменяются в n² раз. Поэтому погрешность измерения уменьшается всегда во столько раз, во сколько раз увеличивается чувcтвительноcть.

В колокольном дифманометре нить 7 с оболочкой 8 и прокладкой 14 выполняют еще и функцию демпфера - они уменьшают колебания при резких колебаниях перепада давлений, сглаживая возникающие из-за этого колебания вертикальных перемещений колокола, что важно для измерений перепада давлений в работающих технологических аппаратах, где возможны частые скачкообразные перепады давлений. Этим также уменьшается динамическая погрешность измерения перепада давлений.

Кроме того, нить 7 с оболочкой 8 и прокладкой 14 дополнительно уравновешивают колокол 3 за счет возникающих в них упругих деформаций при вертикальных перемещениях колокола и за счет этого позволяют использовать колокол заданной массы, чтобы он не входил в резонанс при периодических изменениях перепада давлений.

Отсутствие движущихся механизмов и деталей для превращения вертикальных пе- ремещений колокола в электрический сигнал повышает надежность работы по внезапным отказам.

Одновременное выполнение нитью 7, оболочкой 8 и прокладкой 14 нескольких функций подтверждает преодоление в изобретении технического противоречия. (56) Авторское свидетельство СССР N 397788, кл. G 01 F 13/02, 1971.

Использование: в измерительной технике, в частности в устройствах для измерения перепада давлений, расходов и напора жидкостей, пульп, суспензий в процессах их контроля. Сущность изобретения: колокольный дифманометр содержит корпус 1, частично заполненный жидкостью 2, погруженный в жидкость отверстием вниз колокол 3 с основанием 4, два входных патрубка 5 и 6. Первый из патрубков соединен с верхней частью полости корпуса 1, а второй - с полостью колокола 3. Преобразователь перемещения колокола в электрический сигнал выполнен в виде упругой нити 7 из токопроводящей резины, помещенной в изоляционную оболочку 8 из упругого эластичного материала. Изогнутая часть петли нити 7 торцом 9 жестко соединена с основанием 4 колокола 3 без электрического контакта торца 9 с основанием 4 колокола, например с помощью шайбы 10 и изоляционной прокладки 11. Второй конец петли нити 7 жестко прикреплен к верхней стенке корпуса 1. Концы нити 7 с помощью герметизирующих изоляторов в виде шайбы 13 и прокладки 14 между участками нити 7 пропущены через верхнюю стенку 12 корпуса 1. Свободные концы 15 и 16 петли нити 7 соединены с входами омметра 17. 1 ил.

КОЛОКОЛЬНЫЙ ДИФМАНОМЕТР, содержащий корпус, частично заполненный жидкостью и погруженный в жидкость отверстием вниз колокол с основанием, два входных патрубка, первый из которых соединен с верхней частью полости корпуса, а второй - с полостью колокола, и преобразователь перемещения колокола в электрический сигнал, отличающийся тем, что в нем преобразователь перемещения колокола в электрический сигнал выполнен в виде упругой нити из токопроводящей резины, помещенной в изоляционную оболочку из упругого материала, причем изогнутая часть петли жестко соединена с основанием колокола, а другая часть петли жестко прикреплена к верхней стенке корпуса, концы нити с помощью герметизирующих изоляторов пропущены через верхнюю стенку корпуса и соединены с входами введенного омметра.