ПЛЕНОЧНО-ПУЗЫРЬКОВЫЙ РАСХОДОМЕР Российский патент 1994 года по МПК G01F1/42 

Изобретение предназначено для измерения малых расходов газов при калибровке и поверке ротаметров, реометров, тепловых, ионизационных и лазерных расходомеров. Известен расходомер по а.с. СССР N 1539535, содержащий бюретку, резервуар, поршень, запорную трубку.

Недостатком данного расходомера является невысокая точность измерения малых расходов газа, обусловленная влиянием пленки поверхностно-активного вещества, остающегося на стенках бюретки. Наиболее близким по технической сущности является расходомер по а.с. СССР N 1631285, содержащий резервуар и емкость, сообщающиеся между собой и частично заполненные раствором поверхностно-активного вещества. В резервуаре вертикально установлена бюретка со шкалой, а в емкости - поршень, взаимодействующий с приводом возвратно-поступательного движения. К воздушной полости резервуара подсоединена газоподводящая трубка. На концах бюретки расположены первый и второй кольцевые электроды. Расходомер содержит также измеритель тока, два источника постоянного напряжения, масштабный блок, управляемый генератор тока, индикатор, компенсационный электрод.

Недостатком данного расходомера является низкая точность измерения расхода газа, обусловленная тем, что он не позволяет учитывать отклонение рабочего объема расходомера от номинального значения, вызванное погрешностью изготовления бюретки, погрешность ее установки на расходомере, волнистостью стенок бюретки в точках срабатывания датчиков, увеличивающей погрешность последних.

Целью изобретения является повышение точности измерения расхода газа.

Цель достигается тем, что в расходомер, содержащий резервуар с впускным и выпускным патрубками, емкость, бюретку со шкалой, снабженную первым и вторым кольцевыми электродами, поршень, расположенный в емкости и взаимодействующий с приводом возвратно-поступательного движения, компенсационный электрод, измеритель тока, первый и второй источники напряжения, масштабный блок, управляемый генератор тока, компаратор, индикатор, введены два датчика, установленных на бюретке, два детектора, элемент ИЛИ, триггер, пусковой элемент, два фиксатора, периодомер, сумматор и клапан, установленный на выпускном патрубке резервуара. Датчики через соответствующие детекторы соединены с входами элемента ИЛИ, входами соответствующих фиксаторов и входами периодомера. Первый вход триггера соединен с выходом элемента ИЛИ, второй вход - с впускным элементом, а выход - с управляющим входом клапана. Вторые входы фиксаторов соединены с выходом управляемого генератора тока, а их выходы соединены с входами сумматора, выход которого соединен с третьим входом индикатора.

Повышение точности измерения расхода достигается за счет самоблокировки расходомера, благодаря которой компенсируется погрешность изготовления бюретки, погрешность ее установки в расходомере и погрешность, обусловленная волнистостью поверхности бюретки, неоднородности ее материала в точках срабатывания датчиков (точках визирования), Самоблокировка реализуется путем налива бюретки калибровочной жидкостью и автоматического слива, при котором фиксируется часть жидкости с объемом, равным рабочему объему бюретки. Данная жидкость взвешивается, и с учетом ее плотности определяется значением рабочего объема бюретки по ГОСТ. При автоматическом сливе калибровочной жидкости учитывается смачиваемость бюретки, в результате которой на стенках бюретки остается часть жидкости. Данная операция реализуется на основе измерения проводимости пленки калибровочной жидкости на внутренней поверхности бюретки.

На чертеже представлена схема пленочно-пузырькового расходомера.

Пленочно-пузырьковый расходомер содержит резервуар 1 и емкость 2, сообщающиеся между собой, частично заполненные раствором поверхностно-активного вещества. В резервуаре 1 вертикально установлена бюретка 3 со шкалой 4, а в емкости 2 расположен поршень 5, взаимодействующий с приводом 6 возвратно-поступательного движения. Поршень 5 выполнен в виде стакана и заполнен жидкостью. К воздушной полости резервуара 1 подсоединены газоподводящая трубка 7 и один конец обводной трубки 8, другой конец которой расположен в полости поршня 5.

Первый кольцевой электрод 9 размещен во внутренней полости измерительной бюретки 3 и у ее нижнего торца, закреплен по ее внутреннему периметру и соединен с общей шиной расходомера, второй кольцевой электрод 10 размещен во внутренней полости измерительной бюретки 3 у ее верхнего торца и закреплен по ее внутреннему периметру и соединен с первым входом измерителя 11 тока. Второй вход измерителя 11 тока подключен к выходу первого источника 12 постоянного напряжения, связанного с общей шиной расходомера. Выход измерителя 11 тока через последовательно соединенные масштабный блок 13 и управляемый генератор 14 тока подключен к управляющему входу индикатора 15, компенсационному электроду 16, введенному в полость резервуара 1, заполненную раствором поверхностно-активного вещества через проходной изолятор 17, и к управляющему входу компаратора 18, вход которого подключен к выходу второго источника 19 тока постоянного напряжения. Выход компаратора 18 подключен к первому входу индикатора 15. Первый и второй датчики 20 и 21 положения размещены на бюретке 3 таким образом, что первый датчик 20 расположен ближе к нижнему торцу бюретки 3, а второй датчик 21 - ближе к верхнему торцу бюретки 3. Выходы первого и второго датчиков 20 и 21 положения через первый и второй детекторы 22 и 23 подключены к первому и второму входу элемента ИЛИ 24, выход которого подключен к первому входу триггера 25. Второй вход триггера 25 подключен к выходу пускового элемента 26, а выход - к управляющему входу клапана 27. Клапан 27 установлен в нижней части резервуара 1 таким образом, что, открываясь, он выпускается жидкость из резервуара. Открывание клапана 27 происходит при подаче на его вход напряжения (выходной сигнал триггера 25). При снятии напряжения клапан 27 закрывается.

Первые входы первого и второго фиксаторов 28 и 29 подключены соответственно к выходам первого и второго детекторов 22 и 23, вторые входы - к выходу управляемого генератора 14 тока. Выходы первого и второго фиксаторов 28 и 29 подключены соответственно к первому и второму входам сумматора 30, выход которого подключен к третьему входу индикатора 15. Первый вход сумматора 30 является инвертирующим. Выходы первого и второго детекторов 22 и 23 подключены соответственно к первому и второму входам периодомера 31. Первый вход периодомера 31 является запускающим, второй - останавливающим. Сосуд 32 располагается таким образом, что в него через клапан 27 сливается жидкость из резервуара 1.

Пленочно-пузырьковый расходомер работает следующим образом.

Измеряемый газ по газоподводящей трубке 7 поступает в резервуар 1. Расход газа измеряется циклически по скорости движения пленки по бюретке 3.

В начале цикла поршень 5 находится в верхнем положении. При этом уровень раствора поверхностно-активного вещества в резервуаре 1 находится ниже нижнего торца бюретки 3. Затем при включении привода 6 поршень 5 опускается в нижнее положение, вытесняя часть раствора из емкости 2 в резервуар 1. При этом уровень раствора в резервуаре 1 становится выше нижнего торца бюретки 3. При опускании поршня 5 вместе с ним опускается налитая в нем жидкость. Количество этой жидкости выбирается таким, чтобы при переходе поршня 5 из верхнего положения в нижнее торец обводной трубки 8 открывался. Газ, поступающий в резервуар 1 по газоподводящей трубке 7, свободно выходит в атмосферу через обводную трубку 8.

В дальнейшем поршень 5 возвращается в верхнее положение, уровень раствора понижается, а на нижнем торце бюретки 3 задерживается часть раствора в виде пленки за счет сил поверхностного натяжения. Причем масса раствора, содержащегося в пленке, зависит только от диаметра бюретки 3 и свойств раствора.

После перехода поршня 5 в верхнее положение конец обводной трубки 8 оказывается погруженным в жидкость. Газ по обводной трубке 8 не течет. Под действием потока газа начинает перемещаться пленка в бюретке 3, которая имеет постоянное по длине сечение, поэтому скорость перемещения пленки пропорциональна расходу газа. Отсчет скорости перемещения пленки производится визуально по шкале 4 или с помощью датчиков 20 и 21 положения. Выходные сигналы первого и второго датчиков 20 и 21 положения поступают на входы первого и второго детекторов 22 и 23, в которых в моменты прохождения меткой точек срабатывания датчиков формируются выходные импульсы. Измерительный временной интервал Т_и регистрируется периодомером 31, начиная с момента появления импульса на выходе первого детектора 22 и до момента появления импульса на выходе первого детектора 22 и до момента появления импульса на выходе второго детектора 23. То есть регистрируемый периодомер 31 временной интервал Т_и равен времени прохождения меткой расстояния от точки срабатывания первого датчика 21 положения. Величина расхода газа определяется по формуле
Q = = , (1) где V_p - рабочий объем бюретки 3, заключенный между ее поперечными сечениями, проходящими через точки срабатывания первого и второго датчиков 20 и 21 положения, расположенных на расстоянии L_р,
S_э = S_б - S_п - эффективная площадь поперечного сечения бюретки 3;
S_б - площадь поперечного сечения сухой бюретки 3;
S_п - площадь поперечного сечения поверхностно-активного вещества, осаждающегося на внутренней поверхности бюретки 3 и в процессе движения метки.

Если слой поверхностно-активного вещества на внутренней поверхности бюретки 3 достаточно равномерен и не имеет разрывов, то результаты измерения расхода можно считать достоверными, при этом слой поверхностно-активного вещества на внутренней поверхности бюретки обладает проводящими свойствами и между первым и вторым кольцевыми электродами 9 и 10 возникает электрическая цепь. В данной цепи под действием напряжения U₁₂ первого источника 12 постоянного напряжения возникает ток, регистрируемый измерителем 11 тока, равный
i_п= = , (2) где R_п - сопротивление пленки поверхностно-активного вещества между первым и вторым кольцевыми электродами 9 и 10;
r₁₁ - внутреннее сопротивление измерителя 11 тока;
ρ_п - удельное сопротивление раствора поверхностно-активного вещества;
L_п - расстояние между первым и вторым кольцевыми электродами;
S_п - площадь сечения пленки поверхностно-активного вещества, покрывающей внутреннюю поверхность бюретки.

Выходной сигнал измерителя 11 тока через масштабный блок 13 с коэффициентом передачи К₁₃ поступает на вход управляемого генератора 14 тока. Таким образом выходной ток управляемого генератора тока 14 равен
i₁₄ = K₁₃i_п. (3)
Данный ток протекает по компенсационному электроду 16 и через раствор поверхностно-активного вещества, замыкаясь через электропроводный резервуар 1 на общую шину расходомера. Падение напряжения, вызванное данным током, равно
U_p = i₁₄R_p = i₁₄ ρ_п К₁₆, (4) где R_р - сопротивление поверхностно-активного вещества между компенсационным электродом и резервуаром;
ρ_п - удельное сопротивление раствора поверхностно-активного вещества;
К₁₆ - коэффициент, определяемый формой и площадью поверхности компенсационного электрода 16.

Подставив значение тока i_п из уравнения (2) в (3) и значение тока i₁₄ из (3) в (4), получим
U_p= . (5)
Условием технической реализации предлагаемого изобретения является выбор измерителя тока с малым внутренним сопротивлением, чтобы выполнялось условие
r₁₁ ≪ R_п = , (6) и выбор коэффициента К_п в соответствии с уравнением
K_п= . (7) При построении пленочно-пузырькового расходомера в соответствии с данными условиями технической реализации уравнение (5) преобразуется к виду
U_p = S_п, (8) из чего следует, что падение напряжения U_p на компенсационном электроде пропорционально площади поперечного сечения слоя поверхностно-активного вещества на внутренней поверхности бюретки. Сигнал U_р, пропорциональный площади поперечного сечения слоя поверхностно-активного вещества, поступает на первый вход индикатора 15, где индицируется (например, стрелочным или цифровым вольтметром и т.п.) как значение площади сечения слоя поверхностно-активного вещества, покрывающего внутреннюю поверхность бюретки.

При работе расходомера рабочий объем бюретки 3 может изменяться за счет смещения точек срабатывания датчиков 20 и 21 положения, а также при замене самой бюретки 3 для перехода на другой поддиапазон измерения расхода (ставится новая бюретка большого или меньшего диаметра). Поэтому для определения рабочего объема бюретки 3 реализована автоматическая калибровка расходомера. С этой целью поршень 5 опускается в крайнее нижнее положение с помощью привода 6. При этом перекрывается канал, связывающий резервуар 1 и емкость 2. Газопроводящая трубка 7 и обводная трубка 8 перекрываются (пережимаются или закрываются пробками). В бюретку 3 наливается жидкость до уровня выше точки срабатывания второго датчика 21. Клапан 27 при этом находится в закрытом положении, соответствующем нулевому состоянию триггера 26. Сигналом пускового элемента 26 триггер 25 переводится в единичное состояние. При этом его выходной сигнал вызывает открывание клапана 27, через который начинает вытекать жидкость из резервуара 1, и ее уровень в бюретке 3 постепенно понижается. В момент, когда уровень жидкости проходит точку срабатывания второго датчика 21 положения, выходной сигнал последнего, сформированный вторым детектором 23, пройдя через элемент ИЛИ 24, переводит триггер 25 в положение логического нуля. При этом клапан 27 закрывается. В этот же момент под воздействием выходного сигнала второго детектора 23 второй фиксатор 29 фиксирует напряжение U₁₆, установившееся на компенсационном электроде 16. Данное напряжение определяется следующим образом. Величина тока, фиксируемая в данный момент измерителем 11 тока, в данный момент равна
i_11,2= , (9) где L_o - длина отрезка бюретки от нижнего среза второго кольцевого электрода до точки срабатывания второго датчика;
L_p - длина рабочего отрезка бюретки между точками срабатывания первого и второго датчиков 20 и 21 положения;
L₁ - длина отрезка бюретки между точкой срабатывания первого датчика 20 положения и верхним срезом первого кольцевого электрода;
S_п - площадь сечения пленки жидкости, покрывающей внутреннюю поверхность бюретки.

Для бюреток диаметром 5-16 мм отношение площадей сечений S_п и S_бизменяется в пределах
= 0,001-0,01. Поэтому, приняв S_п << S_б, можно упростить выражение (9)
i_11,2= . (10) Через компенсационный электрод 16 будет протекать ток, определяемый выражением (3) и создаваемый управляемым генератором 13 тока. Под действием данного тока создается напряжение, фиксируемое на компенсационном электроде 16 и равное
U_ф2= . (11)
Данное напряжение поступает на вход второго фиксатора 29 и фиксируется в нем под действием выходного сигнала второго детектора 23.

После выполнения данной операции под клапан 27 ставится осушенный, предварительно взвешенный сосуд 32 и с помощью пускового элемента 26 триггер 25 переводится в единичное состояние. При этом жидкость из резервуара 1 через клапан 27 начнет стекать в сосуд 32. В момент, когда уровень жидкости в бюретке 3, постепенно понижаясь, пройдет точку срабатывания первого датчика 20 положения, на выходе первого детектора 22 выделится импульс, который, пройдя через элемент ИЛИ, переведет триггер 25 в нулевое состояние и клана 27 закроется. В тот же момент под действием выходного импульса первого детектора 22 в первом фиксаторе 28 фиксируется напряжение U₁₆ на компенсационном электроде 16, равное в данный момент величине
U_ф1= . (12) Сосуд 32 с жидкостью взвешивается, и определяется чистый вес жидкости Р_о. С учетом удельного веса жидкости δ_o определяется ее объем
V_o= . (13) Полученный результат является рабочим объемом бюретки (объемом, заключенным между сечениями бюретки 3, проходящими через точки срабатывания первого и второго датчиков 20 и 21 положения, за вычетом объема пленки жидкости, оставшейся на стенках бюретки).

Напряжения U_ф1 и U_ф2 с выходов первого и второго фиксаторов 28 и 29 поступают на первый и второй входы сумматора 30, на выходе которого выделяется сигнал, равный
ΔU_ф= U_ф2- U_ф1= S_пK_пU₁₂K _ = S_пK_пU₁₂K₁₃. (14) Данный сигнал поступает на индикатор 15 и используется при обработке измерительной информации следующим образом.

1. Определяется объем жидкости, оставшийся на стенках бюретки при калибровке расходомера. Для этого на основании выражения (14) получим
ΔV = S_пL_p= . (15)
2. Определяется рабочий объем сухой бюретки
V_д= V_o+ΔV = + ΔV. (16)
3. Определяется действительное значение рабочего объема бюретки при измерении расхода с учетом объема пленки поверхностно-активного вещества
V₉ = V_р - L_рS_п. (17) Действия, производимые в трех приведенных операциях, можно свести в одно выражение с учетом (8)
V_o= + -L_pU_p. (18)
Полученное значение рабочего объема бюретки V_p используется для определения расхода газа с помощью формулы (1). Таким образом в результате работы предлагаемого пленочно-пузырькового расходомера осуществляется самокалибровка, благодаря которой компенсируется погрешность изготовления и заводской калибровки бюретки, смещения точек срабатывания первого и второго датчиков положения, влияние смачивания стенок бюретки раствором поверхностно-активного вещества и калибровочной жидкостью.

Кроме того, точность измерения расхода возрастает за счет непрерывного контроля состояния пленки поверхностно-активного вещества. С этой целью падение напряжения на компенсационном электроде 16 сравнивается в компараторе 18 с выходным сигналом второго источника U₁₉постоянного напряжения 19. В то же время, как следует из формулы (5), падение напряжения U_p пропорционально площади поперечного сечения пленки S_п. При уменьшении значения площади S_п за счет испарения пленки или в начале работы расходомера величина напряжения U_p уменьшается. Поэтому при разрыве пленки или при снижении площади S_п ее поперечного сечения ниже допустимого значения падения напряжения U₁₈ становится меньше задаваемого значения выходного напряжения U₁₉ второго источника 19 постоянного напряжения. При этом выходной сигнал компаратора 18 принимает значение логической единицы. Уровень логической единицы с компаратора 18 поступает на второй вход индикатора 15 и дает информацию (через лампочку, светодиод, звуковой сигнал и т.п.) о недостаточной смоченности при разрыве пленки, покрывающей внутреннюю поверхность бюретки 3. Обладая такой информацией, пользователь может в любой момент принять меры к восстановлению требуемой толщины слоя смачивания, т.е. произвести дополнительное увлажнение (смачивание) внутренней поверхности бюретки 3, а, следовательно, исключить разрыв (лопание) движущейся пленки и тем самым повысить надежность работы расходомера.

Использование: в измерительной технике для измерения малых расходов газов. Сущность изобретения: устройство содержит резервуар, сообщенный с емкостью и заполненный раствором поверхностно-активного вещества. Измерительная бюретка со шкалой вертикально установлена в резервуаре и снабжена двумя кольцевыми электродами и двумя датчиками положения, в нижней части резервуара установлен компенсационный электрод и клапан на выпускном патрубке. В емкости установлен поршень, связанный с приводом. Схема обработки содержит два детектора, элемент ИЛИ, первый и второй источники постоянного напряжения, измеритель тока, масштабный блок, управляемый генератор, триггер, пусковой элемент, два фиксатора, периодомер, компаратор, индикатор и сумматор. 1 ил.

ПЛЕНОЧНО-ПУЗЫРЬКОВЫЙ РАСХОДОМЕР, содержащий резервуар с впускным и выпускным патрубками и емкость, сообщающиеся между собой и частично заполненные раствором поверхностно-активного вещества, бюретку со шкалой, вертикально установленную в резервуаре и снабженную первым и вторым кольцевыми электродами, размещенными на внутренней поверхности бюретки у ее нижнего и верхнего торца, поршень, расположенный в емкости и взаимодействующий с приводом возвратно-поступательного движения, а также компенсационный электрод, установленный в нижней части резервуара, при этом первый кольцевой электрод соединен с общей шиной, второй электрод через первый измеритель тока, второй вход которого подключен к первому источнику напряжения, и масштабный блок подключен к входу управляемого генератора тока, выход второго источника напряжения через компаратор подключен к первому входу индикатора, при этом выход управляемого генератора тока соединен с управляющими входами индикатора и компаратора и с компенсационным электродом, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, он снабжен двумя датчиками, установленными на бюретке, двумя детекторами, элементом ИЛИ, триггером, пусковым элементом, двумя фиксаторами, периодомером, сумматором и клапаном, установленным на выпускном патрубке резервуара, причем датчики через соответствующие детекторы соединены с входами элемента ИЛИ, входами соответствующих фиксаторов и входами периодомера, первый вход триггера соединен с выходом элемента ИЛИ, второй вход - с пусковым элементом, а выход - с управляющим входом клапана, вторые входы фиксаторов соединены с выходом управляемого генератора тока, а их выходы соединены с входами сумматора, выход которого соединен с третьим входом индикатора.