ДАТЧИК СКОРОСТИ ПОТОКА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ Российский патент 1995 года по МПК G01P5/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для замера скорости потока в трубопроводах текучей, жидкой или газообразной среды.

Широкое промышленное применение для измерения расхода текучей среды по изменению скорости ее потока получили турбинные расходомеры, чувствительный элемент которых выполнен в виде турбинки с лопастями, ось которой опирается на подпятник и подшипник [1]
Под действием потока текучей среды турбинка вращается. Снимают скорость вращения турбинки, по которой определяют скорость течения потока. Диапазон измерения достаточно высокий 1:100.

Недостатком этой конструкции является необходимость подпятника, подшипников, которые требуют смазки, герметичности, так как они могут находиться в агрессивной жидкой среде, что усложняет конструкцию.

Проблема исключения подшипников, подпятника решена конструкцией шарикового расходомера, содержащего корпус, в котором свободно размещен шарик из металла или из резины, пластмассы с металлическими включениями. Расходомер имеет средство для закручивания поступающего потока текучей среды в виде турбинки или корпуса с тангенциальным подводом, упорное кольцо (опору) внутри корпуса и опорную поверхность [2] По частоте вращения шарика в корпусе определяют скорость потока текучей среды и, соответственно, ее расход.

С решением проблемы изъятия подшипников и подпятника в шариковых расходомерах возникли новые проблемы: при нарушении однородности текучей среды (наличие инородных тел, газа, разрыва потока), гидроударах, резких перепадах давления чувствительный элемент (шарик) скачкообразно изменяет свою траекторию, что приводит к его соударениям с опорным кольцом, корпусом и другими деталями, ограничивающими рабочую полость, что приводит к повышенному износу и быстрому выходу из строя всего устройства; уменьшение размеров шарика снижает износ деталей устройства, но приводит к уменьшению силы, действующей на шарик со стороны потока, и, как следствие, к снижению чувствительности расходомера; узкий диапазон измерений, не позволяющий использовать данное известное устройство при точных измерениях расходов.

Цель изобретения расширение диапазона измерений.

Цель достигается тем, что в датчике, содержащем корпус с входным и выходным отверстиями, средство для закручивания потока, установленную внутри корпуса опору, чувствительный элемент, размещенный в полости корпуса с возможностью вращения, и преобразователь вращения чувствительного элемента в электрический сигнал, опора выполнена в виде полого стержня, а чувствительный элемент в виде детали с отверстием, свободно насаженной на стержень, при этом преобразователь вращения чувствительного элемента установлен на внутренней стенке полого стержня.

Кроме того, для повышения чувствительности датчика чувствительный элемент выполнен в виде ферромагнитного кольца, охватывающего магнитом, установленным в корпусе, а преобразователь вращения чувствительного элемента в виде пьезоэлемента.

На фиг. 1 изображен датчик, поперечный разрез; на фиг.2 частный случай исполнения датчика.

Датчик скорости потока текучей среды содержит корпус 1, входное 2 и выходное 3 отверстия для текучей среды со средством 4 закручивания потока, чувствительный элемент 5, преобразователь 6 вращения чувствительного элемента в сигнал, установленный внутри стержневой опоры 7. Преобразователь 6 вращения чувствительного элемента в сигнал может быть выполнен в виде катушки индуктивности (фиг. 1) или пьезоэлемента (фиг.2). Чувствительный элемент 5 выполнен в виде детали с отверстием (внешний и внутренний контуры детали произвольны: круг, эллипс, многоугольник, шестеренка и т.п.). Деталь имеет возможность обкатывания внутренней поверхностью отверстия стержневой опоры 7, для обеспечения чего деталь 5 свободно надета на стержневую опору 7, а между внутренними стенками корпуса 1 и деталью 5 имеется зазор для свободы движения детали 5. Средство 4 закручивания потока представляет собой корпус с тангенциально расположенным входным отверстием 2 (фиг.1) или тангенциальный подвод воды в зону вращения кольца (фиг.2), или направляющую потока в виде крыльчатки (на фиг. не показана) и т.п.

В одной из возможных модификаций датчика (фиг.2) чувствительный элемент 5 выполнен в виде кольца из ферромагнитного материала, например из металла с отверстиями для облегчения, или из пластмассы с ферромагнитными включениями, и окружен магнитом 8.

Работает датчик следующим образом.

Измеряемая текучая среда поступает через входное отверстие 2 (фиг.1,2) в полость корпуса 1 и, проходя через средство 4 закручивания потока, получает вращательное движение. Закрученный поток приводит во вращение чувствительный элемент 5 из ферромагнитного материала, который обкатывает стержневую опору 7. В результате обкатывания чувствительным элементом 5 стержневой опоры 7 изменяется положение чувствительного элемента 5 относительно самой опоры и установленного внутри нее преобразователя 6 вращения чувствительного элемента в сигнал, выполненного в виде катушки индуктивности (фиг.1), в результате образуя импульс, который представляет собой переменный электрический ток, частота которого соответствует частоте вращения чувствительного элемента 5. Сигнал от преобразователя 6 вращения передается на вторичный прибор с помощью сигнальных проводов 9. В частном случае исполнения датчика (фиг.2) чувствительный элемент 5, обкатывая стержневую опору 7, деформирует ее. Деформация стержневой опоры 7 передается на пьезоэлемент 6, установленный внутри опоры 7, при помощи которого деформация преобразуется в переменный электрический ток, частота которого соответствует частоте вращения чувствительного элемента. Далее измеряемая текучая среда удаляется через выходное отверстие 3.

Траектория перемещения детали 5 (фиг. 1) ограничивается в радиальном направлении стержневой опорой 7, а в осевом направлении перемещение детали 5 невозможно в результате выполнения стержневой опоры 7 в виде эллипсоида, кроме того деталь 5 удерживается на опоре, не разрушая корпус 1, за счет центробежных сил. В частном случае исполнения датчика (фиг.2) перемещение кольца 5 в осевом направлении невозможно в результате центрирующего действия магнитного поля магнита 8. Кроме того, магнитное поле создает усилие, деформирующее через чувствительный элемент 5 стержневую опору 7, что повышает чувствительность преобразователя вращения чувствительного элемента в сигнал при малых частотах вращения. Магнитное поле магнита 8 прижимает ферромагнитное кольцо 5 к опоре 7, что позволяет кольцо 5 выполнять облегченным.

Для определения скорости потока текучей среды снимают частоту вращения чувствительного элемента 5 при обкатывании с помощью преобразователя 6 вращения чувствительного элемента в сигнал, который выполнен в виде катушки индуктивности (фиг. 1) или пьезоэлемента (фиг.2), установленного (например, запрессованного) внутри стержневой опоры 7.

Использование: для измерения скорости потока текучей жидкой или газовой среды. Сущность изобретения: выполнение чувствительного элемента в виде детали с отверстием. Поверхностью которого деталь обкатывается по опоре под воздействием потока, что в сочетании с центробежными силами удерживает деталь на опоре при импульсных движениях ее под действием неоднородностей среды, исключая полностью ее контакт с корпусом и одновременно сохраняя стабильность траектории обкатывания опоры. Этим исключается разрушение корпуса при сохранении высокой чувствительности датчика в широком диапазоне измерений. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. ДАТЧИК СКОРОСТИ ПОТОКА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ, содержащий корпус с входным и выходным отверстиями, средство для закручивания потока, установленную внутри корпуса опору, чувствительный элемент, размещенный в полости корпуса с возможностью вращения, и преобразователь вращения чувствительного элемента в электрический сигнал, отличающийся тем, что опора выполнена в виде полого стержня, а чувствительный элемент в виде детали с отверстием, свободно насаженной на стержень, при этом преобразователь вращения чувствительного элемента в электрический сигнал установлен на внутренней стенке полого стержня. 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен в виде ферромагнитного кольца, охватываемого магнитом, установленным в корпусе, а преобразователь вращения чувствительного элемента в электрический сигнал в виде пьезоэлемента.