ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ ПОТОКА Российский патент 1995 года по МПК G01P5/02 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерителям скорости потоков жидкостей и газов, устанавливаемых стационарно.

Известен измеритель скорости потока, содержащий лопасть, установленную в корпусе, имеющем отверстия для входа и выхода потока, перемещающего лопасть относительно центра, в котором помещается опора, на угол, характеризующий ско- рость движения потока относительно лопасти [1].

Его недостатками являются низкая чувствительность и сложность осуществления автономных и дистанционных измерений и осреднения их результатов. Они обусловлены появлением значительной силы, противодействующей отклонению чувствительного элемента от положения равновесия, возрастающей по мере увеличения скорости потока и уменьшения угла атаки его относительно лопасти. В результате возникает не только нелинейность зависимости угла отклонения чувствительного элемента от скорости потока, но при измерении скорости турбулентных потоков отмечается и разброс положения чувствительного элемента при одинаковых скоростях потока в зависимости от знака ускорения, т.е. при увеличении и уменьшении скорости потока положение его различно.

Известен также измеритель скорости потока, содержащий чувствительный элемент в виде полусферы, в верхней части штока которого установлен ферромагнитный якорь, три электромагнита, источник постоянного напряжения, блок регистрации, магнитоуправляемый контакт и двухлопастный флюгер, причем на внутренней поверхности одной из лопастей флюгера установлены электромагниты и угольник, на свободной грани которого, расположенной параллельно образующей флюгера, закреплен упругий элемент, а на другой лопасти - второй ферромагнитный якорь, установленный с возможностью перемещения в зазоре, образованном вторым электромагнитом и магнитоуправляемым контактом, при этом чувствительный элемент установлен в дугообразном канале круглого сечения, жестко связанным с нижними торцевыми гранями лопастей флюгера, а на штоке чувствительного элемента установлен штырь и ферромагнитная шторка, выполненная в виде пластины дугообразной формы и установленная с возможностью перемещения в зазоре, образованном вторым электромагнитом и магнитоуправляемым контактом [2]. Его недостатками являются сравнительно невысокие точность и чувствительность, обусловленные тем, что и при разомкнутой цепи электромагнита ферромагнитный якорь создает некоторое препятствующее отклонению чувствительного элемента от положения равновесия усилие. Это усугубляется еще и тем, что ограничивается и максимальный угол отклонения чувствительного элемента, т.к. для этого требуется существенно увеличивать мощность электромагнита, что в конечном итоге тоже снижает чувствительность измерителя и его точность, т.к. относительная погрешность измеряемого параметра - времени при прочих равных условиях увеличивается при уменьшении интервала.

Задача, решаемая изобретением, заключается в повышении точности и чувствительности измерителя.

Это достигается тем, что измеритель скорости потока содержит двухлопастный флюгер, чувствительный элемент в виде полусферы, скрепленной со штоком, установленный в дугообразном канале круглого сечения, жестко связанным с нижними торцевыми гранями лопастей флюгера, электромагнит и упругий элемент, установленные на внутренней поверхности одной из лопастей флюгера, ферромагнитный якорь, пластину, закрепленную на штоке чувствительного элемента, источник постоянного напряжения, блок регистрации, вилку, скрепленную с ферромагнитным якорем, соединенным со свободным концом упругого элемента, вторую пластину и два датчика положения штока, установленные на внутренней поверхности одной из лопастей флюгера в плоскостях, совпадающих с плоскостями соответственно входного и выходного отверстий дугообразного канала, генератор напряжения, делитель частоты, пять формирователей импульсов, три триггера, ключ, схему совпадения, два счетчика, схему задержки, формирователь кода, регистр, дешифратор, индикатор, при этом выход генератора напряжения соединен со входами делителя частоты, первого и второго датчика, выход первого датчика соединен со входом первого формирователя импульсов, выход которого соединен со входом первого триггера, выход которого соединен со входом третьего формирователя импульсов, выход которого соединен с первым входом третьего триггера, первый выход которого соединен с первым входом второго счетчика, а второй выход - с первым входом схемы совпадения, выход которой соединен с первым входом первого счетчика, выход которого соединен с первым входом регистра, выход которого соединен со входом дешифратора, выход которого подключен к индикатору, выход формирователя кода соединен со вторым входом второго счетчика, выход которого соединен со входом схемы задержки, первый выход которой подключен ко второму входу регистра, а второй выход - к третьему входу второго счетчика и к входу пятого формирователя импульсов, выход которого подключен ко второму входу первого счетчика, выход второго датчика соединен со входом второго формирователя импульсов, выход которого соединен со входом второго триггера, выход которого соединен со входом четвертого формирователя импульсов и со входом ключа, выход которого подключен к электромагниту, выход четвертого формирователя импульсов соединен со вторым входом третьего триггера, выход делителя частоты соединен со вторым входом схемы совпадения. Кратковременное перемещение вилки, скрепленной с ферромагнитным якорем, соединенным со свободным концом упругого элемента при достижении чувствительным элементом угла максимального отклонения сопровождается перемещением чувствительного элемента за начальную точку отсчета, проходимого пути. В результате чувствительный элемент к начальной точке отсчета уже имеет скорость потока, причем упругий элемент устраняет всякое противодействие перемещению потоком чувствительного элемента со стороны электромагнита. Увеличение проходимого пути позволяет не только повысить точность измерений, но и использовать маломощный электромагнит для возврата штока в исходное положение.

На фиг. 1 представлен вид измерителя скорости потока при отвесном положении чувствительного элемента; на фиг. 2 - структурная схема блока регистрации; на фиг. 3 - временные диаграммы работы блоков измерителя.

Измеритель скорости потока содержит (см. фиг. 1) чувствительный элемент в виде штока 1, скрепленного с полусферой 2, вогнутая часть которой обращена к входному отверстию 3, а выпуклая - к выходному отверстию 4 дугообразного канала 5 круглого сечения. Шток 1 установлен в зоне динамической тени, образуемой двухлопастным флюгером 6 с вертикальной осью вращения, причем опора штока 1 закреплена на внутренней поверхности лопастей флюгера 6. На дугообразном канале 5 у отвесного положения штока 1 установлен бесконтактный датчик 7, а у угла его максимального отклонения второй бесконтактный датчик 8, тип которых выбирается из соображений их работоспособности в условиях измерений. При использовании индукционных датчиков 7 и 8 на штоке 1 устанавливается немагнитная, например алюминиевая пластина 9, управляющая режимом цепей питания электромагнита 10 механизма возврата штока 1 к отвесному положению и системы счета импульсов. Якорь 11 электромагнита 10 скреплен с вилкой 12, а второй конец якоря 11 скреплен с пружиной 13, второй конец которой закреплен на пластине 14, скрепленной с двухлопастным флюгером 6.

В состав регистрирующего устройства (см. фиг. 2) кроме датчиков 7 и 8 входят генератор 15, делитель частоты 16, пять формирователей импульсов 17, 18, 19, 20 и 21, три триггера 22, 23 и 24, ключ 25, схема совпадения 26, два счетчика 27 и 28, схема задержки 29, формирователь кода 30, регистр 31, дешифратор 32 и индикатор 33.

Измеритель скорости потока работает следующим образом.

Если скорость потока отклоняет шток 1 до угла максимального отклонения, при котором он и скрепленная с ним пластина 9 совмещаются с бесконтактным датчиком 8 (см. фиг. 2), цепь электромагнита 10 замыкается и якорь 11 посредством вилки 12 перемещает шток 1 одним рывком за положение контакта 7, установленного у отвесного положения штока 1. При этом сигналы датчиков (7 и 8) с помощью формирователей импульсов 17 и 18 преобразуются в импульсы с крутыми фронтами, необходимые для работы цифровых интегральных схем. Формирователи импульсов 19 и 20 служат для преобразования сигналов триггеров 22 и 23 в короткие импульсы, причем формирователь импульсов 19 преобразует срезы импульсов триггера 22 в короткие импульсы отрицательной полярности, длительностью в несколько десятков наносекунд. Формирователь импульсов 21 преобразует фронт импульса схемы задержки 29 в короткие импульсы отрицательной полярности, ключ 25 служит для формирования мощного сигнала, необходимого для работы электромагнита 10 механизма возврата штока 1 к отвесному положению. Делитель частоты 16 служит для формирования счетных импульсов, частота которых зависит от требуемой точности измерителя скорости. Схема совпадения 26 служит для формирования пачки счетных импульсов, пропорциональной скорости измеряемого потока, счетчик 28 служит для счета измеряемых периодов измерителя, т.е. для усреднения его отсчетов при работе. Формирователь кода 30 служит для установки кода числа усредняемых отсчетов в счетчике 28.

Счетчик 27 служит для подсчета числа импульсов в пачке импульсов, поступающих со схемы совпадения 26. Емкость счетчика 27 зависит от числа импульсов пачки.

Регистр 31 служит для запоминания кода счетчика 27. Дешифратор 32 служит для преобразования двоично-десятичного кода счетчика 27 в семисегментный код для работы индикатора 33, высвечивающего содержимое счетчика 27. Схема задержки 29 служит для временной задержки сигнала счетчика 28 при перезаписи кода формирователя кода в счетчик 28.

Если скорость потока достаточна для отклонения штока до угла, при котором он и скрепленная с ним пластина 9 совмещается с бесконтактным датчиком 8, то цепь электромагнита 10 замыкается и якорь его 11 при этом перемещает шток 1 за положение датчика 7 с помощью вилки 12.

После размыкания цепи электромагнита 10, пружина 13 возвращает якорь 11 в исходное положение и чувствительный элемент 2 под воздействием потока перемещается к датчику 7 и далее к датчику 8. Ключ 25 служит для формирования мощного сигнала, необходимого для работы электромагнита 10. Оба датчика 7 и 8 функционируют в системе счета импульсов, кроме того датчик 8 участвует и в управлении цепью питания электромагнита 10, с помощью формирователя импульсов 18, триггера 23 и ключа 25. Сигналы датчиков 7 и 8 с помощью формирователей импульсов 17 и 18 преобразуются в импульсы с крутыми фронтами, необходимыми для работы интегральных микросхем. Пара импульсов каждого датчика 7 и 8 преобразуется в импульс каждого датчика с помощью триггеров 22 и 23. Триггер 24 вырабатывает импульс, длительность которого пропорциональна скорости измеряемого потока. Импульс триггера 24 поступает на схему совпадения 26, на второй вход которой поступают импульсы с делителя частоты 16. На выходе схемы совпадения 26 формируются пачки счетных импульсов, которые далее подсчитываются счетчиком 27. Со второго плеча триггера 24 сигнал, инверсный сигналу, поступающему на схему совпадения 26, поступает на вход счетчика 28, который срабатывает по фронту поступающего сигнала. Он работает в режиме вычитания, т.е. входной сигнал триггера 24 уменьшает состояние счетчика 28 на единицу. Из предыдущего цикла измерения от формирователя кода в счетчик 28 был записан код числа усредняемых измерений. При достижении счетчиком нулевого состояния на его выходе формируется импульс заема, который поступает на схему задержки 29, формирующую импульс, задержанный относительно импульса заема счетчика 28 на время, составляющее несколько десятков миллисекунд. Этим импульсом производится запись кода, сформированного формирователем кода 30 в счетчике 28. По фронту импульса схемы задержки 29 с помощью формирователя импульсов 21 формируется короткий сигнал, используемый для сброса счетчика 27.

Таким образом, счетчик 27 сбрасывается либо всякий раз после счета импульсов в пачке схемы совпадения 26 (если в счетчике 28 записан код единицы - однократное измерение) либо сброс производится после К измерений (если в счетчике 28 записан код К). В процессе работы содержимое счетчика 27 обновляется раз в несколько минут. Чтобы обеспечить визуальный режим индикации результатов измерения используется регистр 31, в который записываются коды счетчика 27 по сигналу схемы задержки 29. После этого счетчик сбрасывается сигналом формирователя 21, работающего по фронту импульса схемы задержки 29, а результат измерения остается в регистре 31. Дешифратор 32 служит для преобразования кода счетчика 27 в показания индикатора, а сам индикатор 33 служит для визуального отсчета показаний счетчика 27. Измерения могут осуществляться и дистанционно, и автономно. В частности фиксация может осуществляться и не на индикаторе, а например записываться на ленте.

Увеличение угла отклонения чувствительного элемента от отвесного положения уменьшает долю погрешностей в измеряемой величине. Повышается точность и за счет того, что при подходе к отвесному положению чувствительного элемента, где фиксируется начало измеряемого отрезка времени, он уже имеет скорость, равную скорости потока, воздействующего на него.

Использование: измерительная техника, измерение скорости потоков жидкости газа. Сущность изобретения: чувствительный элемент установлен в дугообразном канале круглого сечения, закрепленным на флюгере. На входе и выходе канала установлены бесконтактные датчики положения чувствительного элемента, входящие в состав регистрирующего устройства. 3 ил.

ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ ПОТОКА, содержащий двухлопастный флюгер, чувствительный элемент в виде полусферы, скрепленной со штоком, установленным в дугообразном канале круглого сечения, жестко связанном с нижними торцевыми гранями лопастей флюгера, электромагнит и упругий элемент, установленные на внутренней поверхности одной из лопастей флюгера, ферромагнитный якорь, пластину, закрепленную на штоке чувствительного элемента, источник постоянного напряжения, блок регистрации, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и чувствительности, в него введены вилка, скрепленная с ферромагнитным якорем, соединенным со свободным концом упругого элемента, вторая пластина и два датчика положения штока, установленные на внутренней поверхности одной из лопастей флюгера в плоскостях, совпадающих с плоскостями соответственно входного и выходного отверстий дугообразного канала, генератор напряжения, делитель частоты, пять формирователей импульсов, три триггера, ключ, схема совпадения, два счетчика, схема задержки, формирователь кода, регистр, дешифратор, индикатор, при этом выход генератора напряжения соединен с входами делителя частоты, первого и второго датчиков, выход первого датчика соединен с входом первого формирователя импульсов, выход которого соединен с входом первого триггера, выход которого соединен с входом третьего формирователя импульсов, выход которого соединен с первым входом третьего триггера, первый выход которого соединен с первым входом второго счетчика, а второй выход - с первым входом схемы совпадения, выход которой соединен с первым входом первого счетчика, выход которого соединен с первым входом регистра, выход которого соединен с входом дешифратора, выход которого подключен к индикатору, выход формирователя кода соединен с вторым входом второго счетчика, выход которого соединен с входом схемы задержки, первый выход которой подключен к второму входу регистра, а второй выход - к третьему входу второго счетчика и входу пятого формирователя импульсов, выход которого подключен к второму входу первого счетчика, выход второго датчика соединен с входом второго формирователя импульсов, выход которого соединен с входом второго триггера, выход которого соединен с входом четвертого формирователя импульсов и входом ключа, выход которого подключен к электромагниту, выход четвертого формирователя импульсов соединен с вторым входом третьего тригггера, выход делителя частоты соединен с вторым входом схемы совпадения.