ДАТЧИК РАСХОДА ЖИДКОСТИ Российский патент 1995 года по МПК G01N21/85 G01F1/06 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве датчика мгновенного расхода бензина, например, в легковых автомобилях.

Известен датчик скорости [1] который содержит корпус, внутри которого размещен чувствительный элемент крыльчатка, выполненная из магнитомягкого материала. Крыльчатка закреплена в опорах. На корпусе установлен узел съема в виде секций первичной и вторичной обмоток. При вращении крыльчатки происходит перераспределение магнитного потока, пронизывающего секции вторичной обмотки, вследствие чего на ее выходе появляется сигнал в виде изменяющегося по амплитуде напряжения. Частота модуляции сигнала пропорциональна числу оборотов крыльчатки, а следовательно, и скорости потока.

Конструкция узла съема информации ограничивает использование датчика из-за его сложности и относительно большой массы, обусловленной наличием обмоток. Чувствительность датчика невысокая из-за большой массы крыльчатки, выполненной из магнитомягкого материала. Эти недостатки ограничивают использование датчика, например, в качестве датчика мгновенного расхода топлива (бензина) в легковых автомобилях, где необходима высокая чувствительность, небольшая масса, высокая надежность и малые габариты.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является датчик расхода жидкости [2] содержащий корпус с соосно расположенными входным и выходным патрубками, микротурбинку с четным числом лопастей, равномерно распределенных по образующей вала, установленного в опорах соосно с патрубками, а также узел съема информации, включающий оптически связанные между собой источник излучения и фотоприемник со светопрозрачными элементами.

Датчик представляет собой турбинный расходомер с микротурбинкой, которая при вращении пересекает световой поток, идущий от источника излучения на фотоприемник, т.е. в узле съема информации лопасти выполняют функцию шторки, перекрывающей световой поток. При этом на выходе фотоприемника создается переменный фототок, частота которого определяется по формуле
f (n˙m)/60, (1) где n число оборотов микротурбинки в минуту, определяемое расходом жидкости или газа;
m число лопастей микротурбинки.

Датчику присущи следующие недостатки. Число лопастей (m) ограничено, так как при увеличении числа лопастей выше допустимого их числа прохождению светового потока от источника излучения помещают соседние лопасти, т.е. прекращается прохождение светового потока на фотоприемник. Ограничение числа лопастей приводит к снижению точности (чувствительности) датчика, что неприемлемо для датчиков расхода жидкости, используемых для измерения расхода бензина в легковых автомобилях. Датчик выполнен со смещением центра масс относительно оси вращения микротурбинки и потока измеряемой жидкости, поэтому установка его на объекте должна производиться в строго определенном положении и требует дополнительных крепежных узлов. Излучение распространяется в значительном телесном угле, что не обеспечивает строго направленного излучения от источника к фотоприемнику, а это приводит к необходимости выбора мощного источника излучения. Эти недостатки ограничивают использование датчика, например, в качестве датчика расхода жидкости, например топлива (бензина), в легковых автомобилях, где необходимы высокая чувствительность и точность.

Цель изобретения расширение области использования за счет повышения точности и увеличения ресурса.

На чертеже изображен датчик расхода жидкости в разрезе.

Датчик расхода жидкости содержит герметичный корпус, состоящий из фланцев 1,2, входного и выходного патрубков 3 и 4, по которым втекает и вытекает жидкость, например бензин. Внутри корпуса, в его полости, установлена микротурбинка 5 с четным числом лопаток 6, равномерно распределенных по образующей вала 7. Концы вала установлены в опорах 8,9 с обтекателями 10,11. В опорах по периферии выполнены отверстия 12,13 для поступления бензина в полость с микротурбинкой 5 и выхода из нее. Микротурбинка установлена в опорах 8,9 с возможностью вращения вокруг своей оси посредством установленных в опорах элементов, например шарикоподшипников 14,15. В валу 7 микротурбинки 5 между лопастями 6 радиально выполнены сквозные отверстия 16. Число сквозных отверстий 16 равно числу лопаток 6. В месте соединения фланцев 1,2 корпуса с диаметрально противоположных сторон соосно с отверстиями 16 выполнены отверстия 17, 18, в которых установлены источник 19 излучения с выводами 20,21 и фотоприемник 22 с выводами 23,24, причем выход отверстия 17, в котором установлен источник 19 излучения, выполнен конусообразным. Диаметр выходного отверстия 17 равен диаметру сквозных отверстий 16 в валу 7 микротурбинки 5. Источником 19 излучения является светодиод узконаправленного излучения, а фотоприемником 22 фотодиод. Источник 19 излучения и фотоприемник 22 образуют узел съема информации.

В корпусе в месте соединения фланцев 1,2 выполнен паз 25, в который установлено светопрозрачное кольцо 26, причем ширина и глубина паза соответственно равны высоте и толщине светопрозрачного кольца. Фланцы 1,2 соединены между собой, например, болтами, причем обеспечивается герметичность корпуса датчика путем установки в промежуток между фланцами резинового кольца, установленного в выполненные в торцах фланцев пазы. Этому же способствует введение герметика между стенками паза 25 и светопрозрачного кольца 26.

В датчике расхода жидкости площадь поперечного сечения, заключенная между внутренней полостью корпуса и поверхностью вала 7 микротурбинки 5, равна площади поперечного сечения входного и выходного патрубков.

Диаметр вала микротурбинки и диаметр внутренней полости корпуса в зависимости от внутреннего диаметра патрубков определяется с учетом следующего. Площадь поперечного сечения патрубков определяется из выражения
S₁ π (d₁²/4), (2) где d₁ внутренний диаметр входного и выходного патрубков.

Площадь поперечного сечения, заключенная между внутренней полостью корпуса и поверхностью вала микротурбинки, определяется из выражения
S₂ (d₃ + d₂)/2 (d₃ d₂)/2, (3) где d₂ диаметр вала микротурбинки;
d₃ внутренний диаметр корпуса.

Для обеспечения одинаковой скорости потока жидкости (бензина) как в патрубках, так и в полости микротурбинки необходимо выполнение условия
S₁ ≃ S₂ (4)
Выбрав один из диаметров, например диаметр вала микротурбинки, определим внутренний диаметр корпуса.

Как видно из формулы (1), увеличение S₂ ведет к снижению числа оборотов микротурбинки в минуту, что, в свою очередь, ведет к снижению чувствительности и точности датчика.

Размещение источника излучения и фотоприемника с диаметрально противоположных сторон вала микротурбинки соосно с выполненными в валу микротурбинки сквозными отверстиями снимает ограничение по числу лопаток микротурбинки.

Как видно из формулы (1), при увеличении числа лопаток (m) увеличивается частота, а следовательно, и точность измерения потока жидкости.

Повышению надежности прохождения светового потока от источника излучения к фотоприемнику способствует выполнение выходного отверстия, в котором установлен источник излучения, в виде усеченного конуса с меньшим отверстием, обращенным к отверстию вала микротурбинки. Световой поток от источника излучения формируется в узкий и мощный пучок, который затем посредством выполненных в валу отверстий попадает на фотоприемник, обеспечивая его надежное срабатывание.

Смещение источника излучения внутри полости микротурбинки, а следовательно, выполнение внутреннего диаметра светопрозрачного кольца меньшим внутреннего диаметра корпуса недопустимо, так как это ведет к нарушению соотношения (4), что ведет к снижению чувствительности и точности датчика.

Датчик расхода жидкости работает следующим образом.

Поток жидкости поступает во входной патрубок 3, протекает по обтекателю 10 и через отверстия 12 опоры 8 попадает во внутреннюю полость корпуса с находящейся в ней микротурбинкой 5. Поток жидкости создает давление на лопатки 6, что приводит к вращению микротурбинки вокруг своей оси. Далее поток жидкости через отверстия 13 и обтекатель 11 опоры 9 поступает в выходной патрубок 4.

При подаче на выводы 20,21 источника 19 излучения постоянного тока источник излучения излучает световой поток. Когда при вращении турбинки 5 одно из сквозных отверстий 16 в валу 7 станет соосным отверстию 17, в котором установлен соосно источник 19 излучения, световой поток проходит сквозь отверстие 16 и попадает на фотоприемник 22, установленный в отверстии 18, соосном с отверстием 16. С выводов 23,24 фотоприемника 22 снимается сигнал во вторичный прибор. Таким образом, источник 19 излучения и фотоприемник 22 являются фотоэлектрическим узлом съема информации о скорости вращения микротурбинки 5, а следовательно, о мгновенном расходе жидкости, например бензина. Частота вращения микротурбинки пропорциональна скорости протекания через датчик жидкости. Так как в валу 7 выполнено n сквозных отверстий 16, то частота сигнала с выводов 23,24 фотоприемника 22 превышает в n раз один оборот микротурбинки 5. Выходное отверстие 17 с установленным в нем источником 19 излучения выполнено конусообразным. Это приводит к формированию светового потока от источника излучения в форму луча, обеспечивающего надежное срабатывание фотоприемника 22. Нераспространению светового потока от источника излучения во всем объеме микротурбинки 5 способствуют и стенки лопаток 6, между которыми выполнены сквозные отверстия 16, а введение светопрозрачного кольца 26 обеспечивает прохождение светового потока на фотоприемник 22 через отверстие 18.

Повышение точности датчика достигается тем, что повышается в n раз частота импульсов с датчика, что повышает не только чувствительность датчика в диапазоне низких скоростей потока жидкости, но и точность при дальнейшей обработке сигнала во вторичном приборе. Выполнение площади поперечного сечения заключенной между внутренней полостью корпуса и поверхностью вала микротурбинки равновеликой площади поперечного сечения входного и выходного патрубков способствует повышению точности датчика, так как позволяет стабилизировать скорость протекания жидкости как в патрубках, так и в рабочем объеме корпуса датчика.

Использование: в датчиках расхода жидкости, например бензина. Сущность изобретения: в датчике расхода жидкости источник излучения и фотоприемник соосно установлены с диаметрально противоположных сторон вала микротурбинки в отверстия, выполненные в корпусе, причем выход отверстия, в котором установлен источник излучения, выполнен конусообразным, а светопрозрачное кольцо установлено в выполненный внутри корпуса паз, ширина и глубина которого соответственно равны высоте и толщине светопрозрачного кольца, микротурбинка содержит четное число лопаток, равномерно установленных по образующей вала, в валу между лопатками радиально выполнены сквозные отверстия, с помощью которых оптически связаны источник излучения и фотоприемник, при этом площадь поперечного сечения, заключенная между внутренней полостью корпуса и поверхностью вала микротурбинки, равно площади поперечного сечения входного и выходного патрубков. 1 ил.

ДАТЧИК РАСХОДА ЖИДКОСТИ, содержащий корпус с соосными входным и выходным патрубками, микротурбинку с четным числом лопастей, размещенных равномерно по образующей вала, установленного в опорах соосно с патрубками, а также узел съема информации, включающий оптически связанные между собой источник излучения и фотоприемник со светопрозрачными элементами, отличающийся тем, что источник излучения и фотоприемник установлены соосно с диаметрально противоположных сторон вала микротурбинки в отверстия, выполненные в корпусе, выход отверстия с установленным в нем источником излучения выполнен в виде усеченного конуса, меньшее основание которого обращено в сторону вала микротурбинки, источник излучения и фотоприемник оптически связаны между собой посредством отверстий, выполненных радиально в валу микротурбинки между лопастями по их числу, площадь поперечного сечения, заключенная между внутренней полостью корпуса и поверхностью вала микротурбинки, выполнена равновеликой площади поперечного сечения входного и выходного патрубков, светопрозрачные элементы источника излучения и фотоприемника совмещены и выполнены в виде единого светопрозрачного кольца с внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру корпуса, установленного в пазу, выполненном на внутренней поверхности корпуса симметрично относительно оси источника излучения и фотоприемника.