РАСХОДОМЕР-СЧЕТЧИК ГАЗА ИЛИ ЖИДКОСТИ Российский патент 1997 года по МПК A61B5/09 G01F1/10 

Изобретение относится к области расходометрии и дозиметрии текучих сред и предназначено для использования в стационарных условиях промышленности, энергетики, коммунального хозяйства, модификации устройства, можно также применять на транспорте, в медицине, метрологии, при научных исследованиях и т.п.

При создании, в частности, бытовых газовых счетчиков или расходомеров-счетчиков (жидкого или газообразного) горючего для легковых автомобилей имеют место затруднения, связанные с недостаточной разрешающей способностью или недопустимо большой зоной нечувствительности (порога реагирования) при малых расходах и заданном диапазоне работы с требуемой точностью (погрешность менее 1% и кратность интервала более 100).

Лучшие зарубежные коммунально-бытовые счетчики газа клапанно-диафрагменного вида, например [1] при внушительных габаритах (354х330х220) и металлоемкости (6,5 кГ) обладают недостаточной точностью (всего 2% при кратности интервала 36).

Так, при работе одной горелки кухонной плиты (расход менее 0,5 м³/ч.) точность измерения расхода падает в несколько раз, что недопустимо в период ввода энергосберегающих технологий.

Ближайшим аналогом изобретения является турбинный преобразователь расхода, содержащий корпус с держателями двухполостной турбинки и электорооптический датчик оборотов турбинки, входной дефлектор, выполненный в виде радиально расположенных лопастей, образованных двумя плоскостями, выходной дефлектор.

У легочных больных расход воздуха по внешнему дыханию заметно понижен, что приводит к значительному увеличению погрешности измерения за счет достаточно большой зоны нечувствительности (порога реагирования). Так, рассматриваемый турбинный преобразователь на расходы воздуха порядка 0,2 л/мин 12 • 10^-3 м³/ч совершенно не реагирует, (т.е. имеет место погрешность в 100%) по причине трения в подвеске турбинки, ее несбалансированности, а также больших потерь на дефлекторе, выполненном в виде плоскостей, пересекающих под (достаточно малым) углом (110 -140^o) с линией их пересечения под (относительно большим) углом (60 80^o) к продольной оси. При этом распределенная по сечению потока кинетическая энергия воздуха, соприкасающегося в ограниченной своей части с плоскими направляющими дефлектора и лопатками, в основном, проходит мимо направляющих и лопаток турбинки, что не позволяет передать достаточную мощность для вращения турбинки, т. е. для ее работы. Это и приводит к большой зоне нечувствительности при малых расходах.

Кроме того, известный расходомер требует сравнительно большого потребления электроэнергии электрооптическим датчиком частоты вращения турбинки.

Техническим результатом от использования изобретения является уменьшение зоны нечувствительности (порога реагирования) работы расходомеров-счетчиков при весьма малых расходах потока газа и жидкости, увеличение точности и кратности интервала (диапазон) работы при одновременном снижении газогидродинамических и электрических потерь, а также габаритометаллоемкостных показателем.

Для этого в расходомере-счетчике, содержащем корпус с входным и выходным каналами, входной и выходной дефлекторы, турбинку с лопатками и датчик частоты ее вращения, датчик выполнен терморезистивным, турбинка выполнена аксиально-радиальной с коническими стабилизаторами-демпферами в виде юбки, диска и венца и цилиндрическим каркасом, в котором выполнены профилированные по высоте окна, в створе которых закреплены рабочие лопатки под изменяющимися по высоте углами к образующей и к радиальному направлению, под юбкой установлены дополнительные лопатки, повешена на упорных кернах в виде струны, закрепленной с возможностью регулировки положения упорных кернов и натяжения струны, и размещена в стакане-демпфере с проходными окнами в донышке и демпфирующей решеткой в виде чередующихся щелей и стержней, выполненных по образующей стакана, при этом, внутри цилиндрической части каркаса турбинка расположена верхняя коническая часть сопла-патрубка, образующая совместно с периферийной частью конического диска турбинки кольцевое рабочее сопло, в нижней части сопла-патрубка выполнена опорная полка внутренней кромки юбки, а дополнительные сопла установлены на уровне дополнительных лопаток турбинки.

Кроме того, упорные керны размещены внутри полой втулки турбинки с двумя подшипниками скольжения, а струна закреплена штифтами в винтах-втулках с направляющими, а также гайкой и контргайкой, установленных в ступицах крестовин стакана-демпфера и основания сопла-патрубка, которыми регулируется положение упорных кернов и натяжение струны.

Кроме того, рабочие лопатки в виде закрепленных на юбке и венце пластин под углом β = 3÷7^° и γ = 7÷25^°, к радиальным направлениям, а передняя кромка рабочей лопатки проходит в створе профилированного окна заподлицо с внутренней поверхностью цилиндрической части каркаса под углом δ = 5÷27^° к образующей, дополнительные лопатки установлены в периферийной части юбки под углом α = 10÷30^° к радиальным направлениям, а дополнительные сопла выполнены коническо-цилиндрическими и установлены под углом μ = 65÷75^° к оси вращения турбинки и под углом ν = 15÷23^° к радиальным направлениям, вершины конусов диска, юбки, венца и сопла-патрубка направлены вниз, а их телесные углы ε выбраны, соответственно, 120 160^o и 80 - 110^o. При этом терморезистивный датчик установлен в одной из щелей стакана-демпфера, выполнен в виде разогретого рабочего тела и цилиндрического кольца-экрана и соединен через цепь с отрицательной обратной связью с формирователем импульсов, к выходу которого подключен счетчик количества оборотов, выполненный в виде электронного частотомера и электромеханического счетчика импульсов.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана общая схема расходомера-счетчика газа или жидкости; на фиг. 2 эскиз аксиально-радиальной турбинки; на фиг. 3 вырыв А-А; на фиг. 4 эскиз стакана-демпфера, на фиг. 5 вырыв по А-А; на фиг. 6 выходные характеристики идеального (А), известного (Б) и предлагаемого (В) расходомеров.

Расходомер содержит входной патрубок 1, входной дефлектор 2, нижний регулировочный винт-втулку крепления струны 3, дополнительные сопла 4, основание рабочего сопла-патрубка 5, полку сопла-патрубка 6, струну 7, рабочее сопло-патрубок 8, упорный керн 9, рабочую лопатку турбинки 10, верхний подшипник скольжения 11, стакан-демпфер 12, колпак 13, верхний регулировочный винт-втулку крепления струны 14, выходной дефлектор 15, термоанеморезистивный преобразователь частоты 16, электронный частотомер 17, электромеханический счетчик импульсов 18, камеру пониженного давления 19, циркуляционно-демпфирующую камеру избыточного давления 20, камеру повышенного давления 21, ступицу крестовины основания 22, дополнительные лопатки 23, коническую юбку-демпфер 24, цилиндрическую часть каркаса турбинки 25, конический диск направляющую потока 26, профилированное окно турбинки 27, конический венец каркаса 28, периферийную часть конического диска-направляющей 29, переднюю кромку рабочей лопатки 30, нижний подшипник скольжения 31, втулку турбинки 32, внутреннюю кромку конической юбки-демпфера 33, щель стакана-демпфера 34, стержни стакана-демпфера 35, ступицу крестовины стакана-демпфера 36, гайку-контргайку винта-втулки 37, отверстия крепления стакана 38, отверстия крепления выходного дефлектора 39, перемычки крестовины держателя 40, проходные окна стакана 41, А характеристика идеального расходомера, Б обобщенная типовая характеристика известных турбинных расходомеров; В выходная характеристика предлагаемого расходомера-счетчика газа или жидкости.

На фиг. 1 приведена общая схема расходомера-счетчика газа или жидкости, который содержит входной патрубок 1 с фильтром, основание 5 рабочего сопла-патрубка с четырьмя проходными окнами в форме секторов, образующими ступицу 22 держателя нижнего винта-втулки 3 крепления струны 7, посредством которого осуществляется штифтовое закрепление, регулировка положения упорных кернов 9 и натяжения струны и крестовину держателя, входного дефлектора 2. Во внешней нижней части рабочего сопла-патрубка 8 выполнена полка 6, а в основании 5 установлены дополнительные сопла 4.

Посредством втулки каркаса с подшипниками скольжения 11 подвешена турбинка с рабочими 10 и дополнительными лопатками. Внутри этой втулки на держателе в виде струны 7 закреплены упорные керны 9, на которые опираются подшипники скольжения при нормальном режиме работы турбинки. Верхний конец струны 7 закреплен посредством штифта на винте-втулке 14 верхнего держателя, связанного через ступицу крестовины стакана-демпфера 12 с основанием 5.

В донышке стакана-демпфера выполнены четыре проходных окна в форме секторов, а на перемычках крестовины закреплен выходной дефлектор 15. Стакан-демпфер 12 с выходным дефлектором снаружи покрыт колпаком 13 с выходным патрубком, закрепленным на основании. В одной из щелей стакана-демпфера 12 установлен термоанеморезистивный преобразователь 16, связанный через мостовую цепь с обратной отрицательной связью по температуре с формирователем импульсов и электронным частотомером 17 с цифровым табло мгновенных расходов, а также с электромеханическим счетчиком 18 суммарного количества газа или жидкости.

Полость расходомера имеет камеры 19 и 21 пониженного и повышенного давления, а также циркуляционно-демпфирующую камеру 20 избыточного давления. Газ или жидкость может перемещаться в аксиальном направлении "снизу-наверх" (расходомер установлен в вертикальное положение), а также в тангенциальном и радиальном направлениях.

Траектория давления основного потока (фиг. 1) показана пунктирными линиями.

На фиг. 2 представлен эскиз аксиально-радиальной (диагональной) турбинки, содержащей каркас, выполненный в виде тонкостенной цилиндрической части 25 с профилированными по образующей (высоте) окнами 27, конического диска-направляющей 26 потока, образующего заслонку (вторую половину) рабочего сопла, а в средней своей части содержащего втулку 32 с нижним подшипником скольжения 31 по упорному керну 9 и струне 7, а также с верхним подшипником скольжения 11, выполняющим "страховочную" функцию.

Конический венец 28 каркаса и коническая юбка-демпфер 24 повышают помехоустойчивость работы турбинки. Вдоль профилированных окон 27 между коническим венцом и юбкой жестко закреплены рабочие лопатки 10 турбинки под изменяющимися от 30^o до 70^o к текущему радиусу по высоте и диаметру углами g и β, зависящими от диапазона измерения расхода.

Дополнительные лопатки 26 установлены под конической юбкой-демпфером и периферийной ее части под углом α = 15...25^° к радиальным направлениям. Передняя кромка 30 рабочей лопатки 10 видна на фиг. 2 в створе профилированного окна 27. Значимыми являются внутренняя поверхность стенок цилиндрической части 25 каркаса, а также внутренняя 33 и внешняя кромки конической юбки-демпфера и периферийная внутренняя кромка 29 сочленения цилиндрической части и конического диска-направляющей каркаса. Упорные керны 9 размещены внутри втулки 32 турбинки и закреплены на струне 7, что позволяет защитить их от загрязнения при длительной работе и обеспечить устойчивость турбинки посредством стабилизирующего момента, образованного за счет размещения точки опоры (кернов с нижним подшипником) в нижней части потока относительно точки приведенных газогидродинамических сил.

В соответствии с назначением и габаритными размерами турбинку выполняют с достаточно малой массой и моментом инерции (порядка 1 20 г и 3 - 80гсм²), а коэффициент относительного демпфирования выбирают порядка 0,63, что обеспечивает хорошие динамический свойства расходомера.

На фиг. 3 приведен эскиз стакана-демпфера 12 (фиг. 1), в котором вдоль образующей выполнены демпфирующие щели 34 и стержни 35, а в донышке выполнены четыре проходных окна 31 в форме секторов и перемычки крестовины держателя 40 со ступицей 36, на которой установлен винт-втулка 14 держателя, регулировки положения упорных кернов и натяжения струны посредством гайки-контргайки 37. В одной из щелей 34 установлен термоанеморезистивный преобразователь 16 частоты вращения турбинки. Стакан посредством четырех отверстий 38 закрепляется на основании. В проходных окнах 41 стакана устанавливается выходной дефлектор 15 (фиг. 1) и закрепляется посредством четырех отверстий 39. Входной дефлектор 21 (фиг. 1) аналогично устанавливается в проходных окнах основания 5 и закреплен на нем четырьмя винтами.

Выходной и входной дефлекторы выполнены в виде радиальных решеток из профилированных направляющих поверхностей пластин, способствующих "периферийно-винтовому" движению основного потока, что позволяет повысить помехоустойчивость и линейность характеристики расходомера как при их относительно малых (0,01 1,0 м³/ч), так и при больших (3 15 м³/ч) расходах.

Дополнительные сопла 4 (фиг. 1) выполнены коническо-цилиндрическими и установлены в основании 5 рабочего сопла-патрубка 8 под некоторыми постоянными углами (17 23^o) относительно радиусов и (65 75^o) относительно оси вращения турбинки, зависящими от диапазона измеряемого расхода, и соединяют циркуляционно-демпфирующую камеру 20 избыточного давления с камерой 21 повышенного давления.

Работа расходомера-счетчика газа или жидкости заключается в следующем.

При отсутствии расхода во всех полостях-камерах расходомера давление окажется одинаковым и за счет силы земного притяжения турбинка установится в крайнее нижнее положение, при котором рабочее сопло-патрубок 8 (фиг.1) полностью перекрывается коническим диском-направляющей, а внутренняя кромка юбки-демпфера будет опираться на полку 6 рабочего сопла-патрубка. Такое состояние достигается путем индивидуальной подгонки высоты каркаса и высоты острой кромки рабочего сопла-патрубка относительно полки 6. Циркуляционно-демпфирующая камера 20 сообщается с камерой 19 пониженного давления через гарантийный малый зазор-щель, образованный между кромкой периферийной части юбки-демпфера и внутренней стенкой стакана-демпфера. Этот зазор обеспечивает при весьма малых (пороговых) расходах прежде всего работу дополнительных сопл и лопаток, когда перепад давления на конической юбке-демпфере окажется достаточным (с учетом перепада давления на коническом диске) для уменьшения веса и "всплытия" турбинки, т. е. при ее освобождении от упомянутых опор. В таком состоянии турбинка оказывается полностью взвешенной в потоке, свободной и от трения в подшипниках скольжения, поэтому энергия даже слабых струй дополнительных сопл, передаваемая через дополнительные лопатки, оказывается достаточной для надлежащего вращения турбинки. При этом рабочие лопатки выполняют, в основном, функцию демпфирования, так как струи рабочего сопла-патрубка, ограниченные профилированными окнами и коническим диском-направляющей оказываются относительно слабыми для обеспечения устойчивой работы и малого порога реагирования.

Так, при возникновении перепада давления всего в 1 мм вод. ст. турбинка с суммарной площадью миделя в 0,0025 м² "всплывает" в набегающем потоке воздуха с расходом всего 0,1 л/мин 6 • 10^-3 м³/ч.

Эти цифры и являются определяющими для обеспечения малой зоны нечувствительности (порога реагирования), высокой кратности интервала, разрешающей способности и точности работы расходомера в целом.

Конструкция элементов турбинки, рабочего сопла-патрубка и стакана-демпфера выбрана такой, что даже при малом расходе, когда турбинка вращается, например, с частотой 0,1 рад./мин, обеспечивается достаточно хорошая степень демпфирования и устойчивости движения в трехмерном пространстве, что определяет как статическую, так и динамическую точность.

С повышение расхода турбинка поднимается и увеличивается площадь проходного сечения сопла профилированного окна, при этом верхние части рабочих лопаток 10 (фиг. 2) принимают на себя основную вращающую функцию, а нижние их части продолжают выполнять функцию демпфирования. Шунтирующие потери на дополнительных соплах оказываются относительно малыми, зато в полную меру работает проточная циркуляционно-демпфирующая камера 20 (фиг. 1), обеспечивая устойчивость и стабильность вращения турбинки за счет конической юбки 24 (фиг. 2).

При полностью открытых профилированных окнах 27, когда расход превышает 15 50% от максимального значения, аксиально-радиальная турбинка опирается (садится) своим нижним подшипником скольжения 31 и нижний упорный керн 9 и ее функционирование достаточно хорошо обеспечивает дальнейшее линейное измерительное преобразование расхода в частоту вращения. Некоторая нелинейность на больших расходах легко корректируется путем профилирования поверхностей-пластин одного дефлектора 15.

На фиг. 4 приведена прямой линией А характеристика идеального расходомера с линейной зависимостью частоты от расхода, типовая характеристика Б известных турбинных расходомеров имеет недопустимо большую (порядка 0,4 м³/ч) зону нечувствительности на малых расходах, что не позволяет использовать их, в частности, для создания бытовых газовых счетчиков.

Кривая В отражает существенное улучшение выходной характеристики предлагаемого расходомера, а особенности, при измерении малых расходов.

Частота вращения турбинки посредством терморезистивного преобразователя 16, в частности, выполненного на базе серийного полупроводникового оксидного терморезистора типа СТ3-18 или СТ1-19 в виде остеклованной бусинки на стерженьке с кольцом- экраном и включенного в электрическую мостовую цепь с отрицательной обратной связью по осредненной температуре сопротивлению рабочего тела с автоматической регулировкой напряжения или тока питания моста, позволяет с достаточно высокой чувствительностью и проходной частотой воспринимать импульсы газодинамических возмущений в щели 34 стакана-демпфера 12 при движении рабочих лопаток 10 и присоединенных к ним струй-течений.

При этом рассеиваемая мощность на термоанеморезисторе по сравнению с открытым оптроном типа АОД111А, используемым в ближайшем аналоге, может быть уменьшена почти в 5 раз, что также дает предпочтение предлагаемому решению по отношению к известным.

Частота вращения турбинки однозначно определяется частотой газогидродинамических возмущений среды в щели, которые обуславливают изменение рассеиваемой термоанеморезистором мощности с измеряемой частотой. Переменная составляющая тока питания электрического моста в виде частоты импульсов поступает через формирователь импульсов (полосовой фильтр) на низкочастотный электронный частотомер с цифровым табло мгновенных расходов, а электромеханический счетчик, например, серийно-выпускаемый типа СИ206 позволяет считать и механически запоминать (без расхода электроэнергии) суммарный расход.

Таким образом, за счет существенного (почти в 10 50 раз ) уменьшения порога реагирования (зоны нечувствительности) до величины порядка 0,1 0,005 м³/ч для расходомеров газа и величины порядка (20 5) • 10^-6 м³/ч для расходомеров жидкостей разрешающая способность турбинных расходомеров-счетчиков увеличивается практически на два порядка (до 10³ 10⁴), а кратность интервала до 10² 10³, что позволяет с учетом достаточно простой и эффективной регулировки линейности характеристики обеспечить высокую статическую и динамическую точность в широком диапазоне измерения расходов (основная погрешность менее 0,5 0,1% ), в том числе малых расходов газа или жидкости, а также при снижении габаритно-металлоемкостных показателей.

Изобретение решает проблему точной дозировки расходуемых составляющих компонент при проведении различных химикотехнологических процессов в промышленности, энергетике, медицине, метрологии, при научных изысканиях, на транспорте, в быту, в частности, решает задачу создания бытовых турбинных газовых счетчиков с улучшенными основными характеристиками.

Точность измерения самого малого расхода газа одной газовой горелки кухонной плиты или слабого внешнего дыхания больного человека практически повышается на порядок.

Использование: в измерительной технике для создания бытовых турбинных счетчиков газа и в медицине для измерения дыхания легочных больных. Сущность изобретения: расходомер содержит входной патрубок 1, входной дефлектор 2, нижний винт - втулку 3 крепления струны, дополнительные сопла 4, основание 5 рабочего сопла-патрубка, полку 6 сопла - патрубка, струну 7, рабочее сопло-патрубок 8, упорный керн 9, рабочую лопатку турбинки 10, верхний подшипник скольжения 11, стакан-демпфер 12, колпак 13, верхний винт крепления струны 14, выходной дефлектор 15, терморезистивный преобразователь частоты 16, электронный частотомер 17, электромеханический счетчик импульсов 18, камеру пониженного давления 19, циркуляционно-демпфирующую камеру избыточного давления 20, камеру повышенного давления 21, ступицу крестовины основания 22, дополнительные лопатки 29, коническую юбку-демпфер 24, цилиндрическую часть каркаса турбинки 25, конический диск 26, профилированное окно турбинки 27, конический венец 28, периферийную часть конического диска 29, переднюю кромку рабочей лопатки 30, нижний подшипник скольжения 31, втулку турбины 32, внутреннюю кромку конической юбки-демпфера 33, щель стакана-демпфера 34, стержни стакана-демпфера 35, ступицу крестовины стакана демпфера 36, гайку 37, отверстия крепления стакана 38, отверстия крепления выходного дефлектора 39, перемычки крестовины держателя 40, проходные окна стакана 41. А - характеристика идеального расходомера, Б - обобщенная типовая характеристика известных расходомеров, В - выходная характеристика изобретения. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Расходомер-счетчик газа или жидкости, содержащий корпус с входным и выходным каналами и входным и выходным дефлекторами, турбинку с рабочими лопатками, датчик частоты вращения турбинки, счетчик количества оборотов, отличающийся тем, что датчик частоты вращения турбинки выполнен термоанеморезистивным, турбинка выполнена аксиально-радиальной с коническими стабилизаторами-демпферами в виде юбки, диска и венца и цилиндрическим каркасом, в котором выполнены профилированные по высоте проходные окна, в створе которых закреплены рабочие лопатки под изменяющимися по высоте углами к образующей и к радиальному направлению, а под юбкой установлены дополнительные лопатки, подвешена на упорных кернах с держателем в виде струны, закрепленной с возможностью регулировки положения упорных кернов и натяжения струны, и размещена в стакане-демпфере с проходными окнами в донышке и демпфирующей решеткой в виде чередующихся щелей и стержней, выполненных по образующей стакана, при этом внутри цилиндрической части каркаса турбинки расположена верхняя коническая часть сопла-патрубка, образующая совместно с периферийной частью конического диска турбинки кольцевое рабочее сопло, в нижней части сопла-патрубка выполнена опорная полка внутренней кромки юбки, а дополнительные сопла установлены на уровне дополнительных лопаток турбинки. 2. Расходомер-счетчик по п.1, отличающийся тем, что упорные керны размещены внутри полой втулки турбинки с двумя подшипниками скольжения, а струна закреплена штифтами в винтах-втулках с направляющими, а также гайкой и контргайкой, установленных в ступицах крестовин стакана-демпфера и основания сопла-патрубка, которыми регулируется положение упорных кернов и натяжение струны. 3. Расходомер-счетчик по п.1, отличающийся тем, что рабочие лопатки выполнены в виде закрепленных на юбке и венце пластин под углами β = 3-7^°, и γ = 7-25^° к радиальным направлениям, а передняя кромка рабочей лопатки проходит в створе профилированного окна заподлицо с внутренней поверхностью цилиндрической части каркаса под углом δ = 5-27^° к образующей, дополнительные лопатки установлены в периферийной части юбки под углом α = 10-30^° к радиальным направлениям, а дополнительные сопла выполнены коническо-цилиндрическими и установлены под углом μ = 65-75^° к оси вращения турбинки и под углом ν = 15-23^° к радиальным направлениям, вершины конусов диска, юбки, венца и сопла-патрубка направлены вниз, а их телесные углы ε выбраны, соответственно, 120 160^o и 80 110^o. 4. Расходомер-счетчик по п.1, отличающийся тем, что термоанеморезистивный датчик установлен в одной из щелей стакана-демпфера, выполнен в виде разогретого рабочего тела и цилиндрического кольца-экрана и соединен через цепь с отрицательной обратной связью регулировки электропитания с формирователем импульсов, к выходу которого подключен счетчик количества оборотов, выполненный в виде электронного частотомера и электромеханического счетчика импульсов.