ВИХРЕВОЙ РАСХОДОМЕР Российский патент 1994 года по МПК G01F1/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения расходов жидких сред.

Известен расходомер обтекания для жидкостей или газа, содержащий корпус, чувствительный элемент в виде пластины и вторичный преобразователь с источником напряжения [1] .

Недостаток известного расходомера заключается в узком диапазоне измерения. С увеличением скорости потока колебания пластины чувствительного элемента вследствие инерционности не достигают амплитудных значений и вторичный преобразователь не реагирует на такие колебания, а расходомер становится нечувствительным. С уменьшением скорости потока избыток давления на разных плоскостях пластины чувствительного элемента не в состоянии придать ей колебательные движения.

Наиболее близким к заявленному является вихревой расходомер, содержащий установленное в трубопроводе тело обтекания с каналом, консольно установленный в канале чувствительный элемент в виде гибкой пластины, вторичный преобразователь и источник питания [2] .

Чувствительность известного расходомера, выполненного в виде пьзоэлектрического, составляет 3 мкВ/бар. При скорости измеряемого потока 1 м/с перепад давлений составляет 500 Н/м, что соответствует 5 ˙ 10^-3 бар. Таким образом, чувствительность известного расходомера составляет 15 ˙ 10^-3 мкВ, т. е. очень низка. Поэтому снижается также точность измерений.

Цель изобретения - повышение чувствительности, точности расходомера, расширение его диапазона и упрощение его конструкции.

Цель достигается тем, что в вихревой расходомер, содержащий тело обтекания со сквозным щелевым каналом, расположенным перпендикулярно его оси, гибкую электропроводящую пластину, свободно размещенную в канале перпендикулярно его оси, вторичный преобразователь и источник питания, дополнительно введены стержневой электрод, размещенный в щелевом канале перпендикулярно его оси, конденсатор и ограничительный резистор, при этом гибкая электропроводящая пластина выполнена в виде гибкого электрода с площадью, составляющей 30-40 % сечения щелевого канала, первый выход источника питания подключен к первому входу вторичного преобразователя и к первому выводу ограничительного резистора, подключенного вторым выводом к гибкой электропроводящей пластине и через конденсатор - к второму входу вторичного преобразователя, второй выход источника питания соединен с выходом вторичного преобразователя и тонким стержневым электродом, при этом на плоскости электропроводящей пластины установлена пластина из непроводящего материала, повторяющая форму канала и составляющая 70-90 % его сечения.

На фиг. 1 представлена структурная схема расходомера; на фиг. 2 - схема расположения электродов; на фиг. 3 - конструкция гибкого электрода; на фиг. 4 - электрическая схема вторичного преобразователя.

Расходомер содержит тело 1 обтекания, установленного в трубопроводе (на фиг. не показан) и содержащее сквозной канал 2, расположенный перпендикулярно оси трубопровода. Вдоль оси канала 2 установлены электроды 3 и 4, причем электрод 3 выполнен в виде гибкой пластины 5 из материала, не подверженного электролитической коррозии, из нержавеющей стали, а его площадь составляет 30-40 % площади сечения канала 2. На плоскости пластины 5 закреплена тонкая пластина 6 из легкого непроводящего материала, например пластмассы. Пластина 6 повторяет форму канала 2 и составляет 70-90 % площади его сечения. Электрод 4 выполнен в виде стержня, например, из графита или нержавеющей стали, консольно закрепленного в теле 1. Расходомер содержит также вторичный преобразователь 7, источник 8 питания, ограничительный резистор 9 и конденсатор большой емкости (10-100 мкФ) 10.

Расходомер работает следующим образом.

Электроды 3 и 4 подключают к источнику 3 питания постоянного тока, причем электрод 3 - через ограничительный резистор 9. Жидкую среду подают по трубопроводу. Из-за неравномерности движения жидкой среды слева и справа от тела 1 обтекания поочередно образуются вихри, создающие поочередный перепад давления по разные стороны канала 2, поэтому в канале образуется поток, меняющий направление на противоположное с частотой, пропорциональной скорости движения жидкой среды в трубопроводе.

Перепад давлений по разные стороны канала 2 определяется величиной , где ρ - плотность жидкой среды; v - скорость потока в канале 2, которая соответствует скорости жидкой среды в трубопроводе.

Сила, действующая на пластину 5, расположенную перпендикулярно потоку, определяется по формуле
P = 1,17bl , (1) где b - ширина пластины 5; l - длина пластины 5.

Таким образом, гибкая пластина 5 периодически изгибается в разные стороны, причем механическое отклонение свободного конца пластины 5 от среднего положения (фиг. 2) определяется по формуле
λ_max= ; q = = 1,17b; B = E, (2) где q - удельная погонная сила ; B - жесткость пластины 5; h - толщина пластины 5; E - модуль упругости материала пластины 5.

При изгибе пластины 5 расстояние между ней и электродом 4 изменяется, следовательно, изменяется и сопротивление между электродами 3 и 4, которое можно определить по формуле
ΔR = R, (3) где H - расстояние между электродами (фиг. 2); R - среднее значение межэлектродного сопротивления.

Напряжение на выходе вторичного преобразователя 7 определяется по формуле
U_вых= U_o, (4) где R_о - величина ограничительного резистора 9; U_о - величина опорного напряжения источника 8 питания.

Подставляя в (4) формулы (2), (3), получим:
U_вых= U_o. (5)
Таким образом, величина выходного сигнала с электродов 3 и 4 более, чем на порядок превышает величину выходных сигналов известных датчиков.

Для колеблющейся пластины 5 массой m и жесткостью упругого элемента G собственная частота колебаний равна
f_o= , где m = 2lbhγ; G = ; (6)
γ - плотность материала пластины 5; l - расстояние от места закрепления пластины 5 до ее центра тяжести.

Исходя из (6), имеем:
f_o= · . (7)
Колебания пластины 5 под действием потока среды в канале 2 без резонирования возможны с частотой f < 0,1 f₀, т. е. для данного примера частота колебаний пластины 5 не должна превышать 12,5 Гц. При увеличении частоты f, т. е. при увеличении скорости потока в трубопроводе и канале 2, выходной сигнал с электродов 3 и 4 значительно ослабляется, что ограничивает сверху диапазон измерения.

Укрепив на плоскости пластины 5 тонкую гибкую пластину 6, имеющую площадь, например, вдвое превышающую площадь пластины 5, толщину - втрое меньшую толщины пластины 5 и плотность - вчетверо меньшую плотности пластины 5, определим общую массу пластин 5 и 6:
m = m₅+m₆= shγ+2s = 1,17m₅ (8)
Учитывая, что общая жесткость пластин 5 и 6 практически не изменится и будет равна жесткости пластины 5, а общая масса пластин входит, согласно (6), в подкоренное выражение, то собственная частота f₀уменьшится только в = 1,08 раза, т. е. на 8 % . При этом сила, действующая на пластину 6, пропорциональная согласно (1) ее площади, увеличивается вдвое, во столько же раз, согласно (2), возрастает отклонение свободного конца пластины 5 λ_max и, согласно (3), (4), выходной сигнал с электродов 3 и 4.

Импульсы с электродов 3 и 4 поступают на вход вторичного преобразователя 7 через конденсатор 10, который пропускает только переменную составляющую сигнала, имеющую частоту, равную частоте колебаний пластины 5, т. е. пропорциональную скорости потока в трубопроводе. Из переменной составляющей во вторичном преобразователе 7 формируются мощные прямоугольные импульсы, которые подаются далее на вход счетчика импульсов известного типа. Зная весовое количество каждого импульса, известным способом определяют количество жидкости, прошедшее по трубопроводу. (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 387216, кл. G 01 F 1/00, 1973.

2. Авторское свидетельство СССР N 459672, кл. G 01 F 1/00, 1975.

Использование: для измерения расходов жидких сред. Сущность изобретения: вихревой расходомер содержит тело обтекания, сквозной щелевой канал, два электрода, гибкую пластину, тонкую пластину, вторичный преобразователь, источник питания, ограничительный резистор, потенциометр. 4 ил.

ВИХРЕВОЙ РАСХОДОМЕР , содеpжащий тело обтекания со сквозным щелевым каналом, pасположенным пеpпендикуляpно его оси, гибкую электpопpоводящую пластину, свободно pазмещенную в канале пеpпендикуляpно его оси, втоpичный пpеобpазователь и источник питания, отличающийся тем, что в него дополнительно введены стеpжневой электpод, pазмещенный в щелевом канале пеpпендикуляpно его оси, конденсатоp и огpаничительный pезистоp, пpи этом гибкая электpопpоводящая пластина выполнена в виде гибкого электpода с площадью, составляющей 30 - 40% от сечения щелевого канала, пеpвый выход источника питания подключен к пеpвому входу втоpичного пpеобpазователя и к пеpвому выводу огpаничительного pезистоpа, подключенного втоpым выводом к гибкой электpопpоводящей пластине и чеpез конденсатоp - к втоpому входу втоpичного пpеобpазователя, втоpой выход источника питания соединен с выходом втоpичного пpеобpазователя и с тонким стеpжневым электpодом, пpи этом на плоскости электpопpоводящей пластины установлена пластина из непpоводящего матеpиала, повтоpяющая фоpму канала и составляющая 70 - 90% его сечения.