СЧЕТЧИК ДОЗ ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ДЛЯ ПЕРЕКАЧИВАЕМОЙ СРЕДЫ ПРИ УЧЕТЕ СЖИГАЕМОГО ТОПЛИВА И БЫТОВЫХ НУЖД ВОДЫ ИЛИ ГАЗА Российский патент 1997 года по МПК G01F13/00 

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано, например, для строгого учета сжигаемого на котельных и тепловых электростанциях топлива, бытовых и производственных расходов воды (теплоносителя), газа и т.д.

Известно большое количество методов измерений и конструкций измерителей удельных и общих расходов жидкостей или газов, которые прямо или косвенно измеряют основные параметры, характеризующие расход: переменный перепад давлений, переменный уровень, гидродинамический напор, вес, объем, скорость и т.д.

Их разнообразие объясняется стремлением повысить точность, надежность и долговечность приборов расхода.

Наиболее точные результаты (±0,1 0,5%) дает применение объемных методов дозирования, при которых отсекается подвижными элементами определенная доза измеряемого материала.

Различают счетчики доз: поршневые с цилиндрическим, дисковым и кольцевым поршнем, винтовые, с овальными шестернями, турбинные, струйные, вихревые, тепловые, тарельчатые и т.д.

Однако они сложны по конструкции, требуют особой тщательности при изготовлении и высокой культуры обслуживания, могут измерять только чистые без механических примесей материалы.

Известны также более простые крыльчато-тахометрические расходомеры, в которых основным чувствительным элементом является крыльчатка, скорость вращения которой пропорциональна расходу среды в трубе.

Но точность измерений таких расходомеров (±0,5%) меньше, чем, например, поршневых и зависит от отношения максимального расхода к минимальному, которое не должно быть более 1 10. При расходах O (0,1 - 1)O_max их точность уменьшается из-за нарушения линейной зависимости числа оборотов крыльчатки от величины расхода.

Особенно неблагополучно в настоящее время с учетом сжигаемого топлива на тепловых электростанциях и котельных, а также учетом бытовых и производственных нужд холодной и горячей воды, пара или газа, поскольку приборов, в полной мере удовлетворяющих требованиям надежности, точности, долговечности и низкой себестоимости до сих пор не предложено.

Нижеописанный счетчик доз реализует комбинированный объемный метод дозирования при наличии крыльчатки, поэтому в качестве прототипа может быть принят счетчик дозы с овальными шестернями, содержащий первичный измерительный преобразователь, передаточный механизм, вторичный преобразователь, информационный блок для определения значения измеряемой величины и счетное устройство количества жидкости или расхода (см. например, Г.А. Мурин. Теплотехнические измерения, М. "Энергия", 1979, с. 344 347 или ГОСТ 12671-71).

Достоинствами прототипа является незначительная потеря давления на его привод (0,3 0,5 кг/см²) и сравнительно высокая точность (±0,3 - 0,5%), однако кроме общих недостатков можно отметить, что он применяется только для небольших и средних расходов, на точности измерений существенно сказывается величина вязкости измеряемой среды, им невозможно измерение расходов газообразных продуктов и дистанционные измерения.

Целью изобретения является повышение точности, надежности и долговечности приборов расхода с возможностью дистанционных измерений без разгерметизации трубопроводов, а также исключение влияния на точность измерений вязкости и величины расхода.

Поставленная цель достигается тем, что первичный измерительный преобразователь выполнен в виде двух пар кинематически связанных поворотно-выдвижных лопаток прямоугольной формы, подвижно закрепленных направляющими штоками с серединным расположением поршней в выдвижных гидроцилиндрах, которые жестко закреплены на штоках поворотных гидроцилиндров, в свою очередь попарно жестко закрепленных на концах неподвижных перегородок фигурного четырехходового корпуса, в плане повторяющего траектории движения наружных концов пар лопаток. Лопатки каждой пары располагаются на концах своей перегородки и точки их разворота разнесены по ходу потока на амплитуду своего движения. Корпус с размещенными в нем лопатками составляет герметичный датчик прибора. Передаточный механизм выполнен с гидросистемой, включающей в себя для каждой лопатки два выдвижных и два поворотных гидроцилиндра, сообщенные маслопроводами с двумя расположенными под прямым углом друг к другу равновеликими цилиндрами вторичного преобразователя в виде кривошипно-шатунного механизма, соединенного со штоками двухпоршневой группы двойного действия таким образом, что образуется жесткая кинематическая связь всех четырех лопаток с сидящим на валу вторичного преобразователя счетным устройством и информационным блоком.

При этом гидроцилиндры поворота лопаток выполнены дугообразными, а их дугообразные штоки с серединным расположением поршней жестко прикреплены к выдвижным гидроцилиндрам. Гидропередача связывает переменный объемы над- и подпоршневых пространств каждого цилиндра вторичного преобразователя через последовательное соединение переменных объемов поворотных гидроцилиндров одной пары лопаток с перемещенными объемами выдвижных гидроцилиндров другой пары лопаток, смещенных по фазе на амплитуду движения.

Сущность изобретения заключается в том, что описанная кинематическая связь обуславливает пространственную взаимозависимость положения подвижных элементов счетчика доз с угловым положением вала вторичного преобразователя и счетным устройством, при которой каждому обороту вала соответствует отсечение маховым движением лопаток по разные стороны от перегородки сторон определенной дозы измеряемой среды, ее перепровождение по ходу движения и последующее отсечение второй такой же дозы со взаимной сменой стороны маха относительно перегородки.

Проведенный патентный поиск показал отсутствие счетчиков доз с предлагаемой совокупностью признаков.

Таким образом, в данном случае известные элементы объединены новыми связями, придают счетчику доз новые свойства, проявившиеся в положительных эффектах, вследствие чего решение может быть признано обладающим существенными отличиями.

На фиг. 1 показана кинематическая схема работы предлагаемого счетчика доз; на фиг. 2 схематичный разрез А-А по оси поворота лопаток.

Счетчик доз содержит неподвижный фигурный корпус 1, который своими фланцами подсоединяется в рассечку трубопровода с измеряемой средой. Конфигурация корпуса 1 определяется траекториями движения наружных концов рабочих органов первичного измерительного преобразователя. Поскольку первичный измерительный преобразователь выполнен в виде двух пар кинематически связанных поворотно-выдвижных лопаток 2 прямоугольной формы, корпус 1 выполнен четырехходовым. Во-первых за счет симметричного относительно средней плоскости сдваивания, во-вторых за счет последующего (вторичного) разделения движущегося потока измеряемой среды двумя перегородками 3.

На противоположных концах каждой перегородки 3 неподвижно закрепляются по два поворотных дугообразных гидроцилиндра 4, внутри которых подвижно закреплен дугообразный шток 5 с серединным расположением поршня 6.

Концы дугообразных штоков 5 жестко прикрепляются к корпусам выдвижных гидроцилиндров 7, назначение которых обеспечивать возвратно-поступательное перемещение лопаткам 2 посредством штоков 8 с серединным расположением поршней 9. При этом каждая лопатка 2 снабжена двумя штоками 8, параллельными нижней и верхней ее кромкам и, следовательно, подвижно закрепляется в двух выдвижных гидроцилиндрах 7, которые в свою очередь подвижно закреплены в двух поворотных гидроцилиндрах 4.

Если выдвижные гидроцилиндры 7 закрепить на оси в подшипниках корпуса 1, то один из них может быть без поршня 9 и общее количество поворотных гидроцилиндров 4 сокращено вдвое. Далее, если поворотные гидроцилиндры 4 выполнить не дугообразными, а прямыми, то закрепление его к перегородке 3 и соединение штока 5 к корпусу выдвижного гидроцилиндра 7 должно быть шарнирным, т.е. подвижным.

При описанном подвижном закреплении лопаток 2 в штоках 8 и 5 гидроцилиндров 7 и 4 свободно через минимальный технологический зазор попарно располагаются на концах перегородок 3 и при работе не касаются корпуса 1, что обеспечивает максимальную износоустойчивость подвижных частей, значительный ресурс прибора и снижает требования по количеству механических примесей в измеряемой среде. Этому же способствует защита выступающих из гидроцилиндров 4 и 7 штоков 5 и 8 в виде эластичной пленки 10, например из гофрированной резины.

Как уже отмечалось, лопатки 2 попарно располагаются на концах перегородок 3. Причем лопатки 2 каждой пары разнесены по ходу движения измеряемой среды на амплитуду своего махового движения, т.е. перегородки 3 соединяют точки поворота двух лопаток 2, составляющих пару, таким образом, что площади, отметаемые каждой лопаткой 2 не накладываются, а только примыкают друг к другу.

Лопатки 2, составляющие пару, находятся в противофазе движения, а пары лопаток 2 относительно друг друга смещены по фазе движения на амплитуду таким образом, что в любой момент времени все четыре прямоугольные проходные сечения корпуса 1 закрыты подвижными и кинематически связанными лопатками 2.

Корпус 1 целесообразно выполнять разъемным для удобства монтажа внутри него чувствительных подвижных элементов лопаток 2 и закреплять его крышку болтами, для которых предназначены отверстия 11. Все это будет составлять датчик, который должен включаться в трубопровод последовательно или параллельно при шунтовом методе измерений.

В кинематическую связь лопаток 2 и механизм передачи движения от лопаток 2 к счетному устройству 12 кроме выдвижных 7 и повоторных 4 гидроцилиндров входят два цилиндра вторичного преобразователя 13, которые располагаются под прямым углом друг к другу, и маслопроводы 14, 16.

Маслопроводы 14 сообщают между собой в единую последовательно замкнутую цепь над- и подпоршневые переменные объемы горизонтального цилиндра 15 вторичного преобразователя 13 через связь переменных объемов поворотных гидроцилиндров 4 одной, например, левой пары лопаток 2 и выдвижных гидроцилиндров 7 другой, правой пары лопаток 2, а маслопроводы 16 сообщают в единую последовательно замкнутую цепь над- и подпоршневые переменные объемы вертикального цилиндра 17 вторичного преобразователя 13 через связь переменных объемов выдвижных гидроцилиндров 7 одной пары лопаток 2 (правой), т. е. той пары, которая сдвинута по фазе движения на амплитуду, как показано на фиг. 1.

Возможна и автономная (параллельная) передача движущих усилий от последовательного соединения гидроцилиндров 4 и 7 пар лопаток 2 на свои горизонтальные 15 и вертикальные 17 цилиндры вторичного преобразователя 13, но это требует кратного увеличения количества его цилиндров. Поэтому следует отметить, что только два цилиндра 15 и 17 преобразователя 13 в принципе при последовательном сообщении способны объединить в кинематическую связь любое количество датчиков при наличии одного счетного устройства 12 и общей компактной передаче.

Преобразователь 13 представляет собой единый кривошипно-шатунный механизм, соединенный одновременно с двумя штоками двух взаимно перпендикулярных цилиндров 15 и 17 двойного действия, т.е. использующих в работе как надпоршневой, так и подпоршневой переменные объемы.

Для того чтобы действие надпоршневого переменного объема было эквивалентно действию подпоршневого переменного объема, они должны быть равны между собой. Этого можно достичь, например, заполнением большего надпоршневого пространства холостым штоком, диаметр которого равен диаметру штока, связанного с шатуном. Гидросистема заполняется жидкостью, например, маслом.

Выходной вал вторичного преобразователя 13 соединен с валом счетного устройства 12 и информационного блока 18.

Вторичный преобразователь 13 и счетное устройство 12, тем более информационный блок 18, могут быть вынесены на значительные расстояния от датчика, например, на пульт управления и контроля без ущерба для работоспособности прибора.

Описанная гидропередача и есть та кинематическая связь лопаток 2 с валом счетного устройства 12, при которой каждому угловому положению вала вторичного преобразователя 13, а следовательно, и счетного устройства 12 соответствует свое единственное пространственное положение поршней цилиндров 15 и 17, поршней 6 и 9 выдвижного 7 и поворотного 4 гидроцилиндров, а следовательно, и лопаток 2 и наоборот: любому зафиксированному положению одной лопатки 2 соответствует единственное зафиксированное положение всех других лопаток 2 и свое единственное угловое положение вала счетного устройства 13.

Вследствие этого при вращении вала вторичного преобразователя 13 и счетного устройства 12 происходит отсечение лопатками 2 строго определенной дозы измеряемой среды, перепровождение ее маховым движением пар лопаток 2 по разные стороны от перегородки 3 по ходу потока, последующее отсечение лопатками 2 такой же дозы со взаимной сменой стороны маха относительно перегородки 3 и т.д.

При этом счетное устройство 12 как счетчик оборотов вала вторичного преобразователя 13 становится счетчиком доз измеряемой среды в объемном или весовом выражении, а скорость вращения вала вторичного преобразователя 13, которую нетрудно измерить тахометром любой конструкции, будет пропорциональна удельному расходу или расходу перекачиваемой среды в единицу времени.

Уяснив взаимосвязь счета доз с вращением вала вторичного преобразователя, рассмотрим более подробно работу счетчика доз.

Движущийся поток измеряемой среды в корпусе 1 датчика разделяется на две части левую и правую, а затем еще на две, воздействуя на левую и правую пары лопаток 2 (см. фиг. 1).

Поскольку левая пара в момент, зафиксированный на фиг. 1 находится в положении максимального размаха, а правая пара лопаток 2 в среднем, нейтральном положении, то движущие усилия потока воспринимает только левая пара лопаток и перемещается под его действием вниз вместе с потоком. При этом перемещаются штоки 5 и поршни 6 поворотных гидроцилиндров 4, суммируют свои усилия и воздействуют через гидравлические связи 14 на поршни 9 выдвижных гидроцилиндров 7 правой пары лопаток 2 и поршень горизонтального цилиндра 15 вторичного преобразователя 13, перемещая их. Поршень горизонтального цилиндра 15 из среднего положения перемещается к верхней мертвой точке (ВМТ), поворачивая коленчатый вал вторичного преобразователя 13 на 90^o по часовой стрелке и перемещая поршень вертикального цилиндра 17 из НМТ к среднему положению. При этом задействуется гидравлическая связь 15 и обеспечивается поворот по ходу потока с одновременным выдвижением лопаток 2 правой пары к положению максимального размаха и поворот с одновременным поступательным перемещением к среднему положению лопаток 2 левой пары. Движущие усилия, передаваемые на коленчатый вал вторичного преобразователя 13, от пары лопаток 2 будут уменьшаться от максимального до нуля, в то время как движущие усилия, передаваемые от правой пары лопаток 2, будут увеличиваться от нуля до максимального, а момент, развиваемый на валу вторичного преобразователя 13 при постоянной скорости течения измеряемой средой, будет постоянным и достигает значительной величины.

Пройдя положение максимального размаха, соответствующее максимальному передаваемому от них усилию, лопатки 2 правой пары идут далее по ходу потока, обеспечивают через гидравлические связи 14 и 16 перемещение поршня вертикального цилиндра 17 к нижней мертвой точке (НМТ), а поршня горизонтального цилиндра 15 к среднему положению и поворот коленчатого вала вторичного преобразователя 13 по часовой стрелке еще на 90^o. Лопатки 2 левой пары, сменив направление маховых движений относительно плоскости перегородки 3 на противоположное, отсекают новую строго определенную дозу измеряемой среды, сопровождают ее по ходу потока, проходят положение максимального размаха к положению максимального разворота (45^o), в котором снова происходит смена направления маха и отсечение такой же дозы уже лопатками 2 правой пары, поворачивают коленчатый вал вторичного преобразователя 13 еще на 90^o, считая от положения максимального размаха, и на 180^o, считая с момента смены направления маха относительно плоскости перегородки 3 или положения ВМТ поршня горизонтального цилиндра, и т.д.

Таким образом, один оборот коленчатого вала вторичного преобразователя 13 и счетного устройства 12 обеспечивается отсечением одной дозы лопатками 2 правой пары, перепровождением ее вниз на амплитуду движения лопаток 2, перепровождением предварительно отсеченной дозы лопатками 2 левой пары на половину амплитуды движения, отсечением новой дозы со сменой направления маха и перепровождением ее еще на половину амплитуды (полная доза за половину оборота), отсечением другой дозы и перепровождением ее на амплитуду движения со сменой направления маха правой пары лопаток 2 и суммированием еще двух половинок доз левой парой лопаток, т.е. один оборот счетного устройства соответствует отсечению каждой парой лопаток 2 одной дозы при маховом движении по одну сторону от перегородки 3 и еще одной дозы после смены направления маха относительно перегородки 3 итого четыре дозы при прямом подсоединении его к валу вторичного преобразователя 13.

При необходимости более точного учета и соответствия одной дозы одному обороту счетного устройства 12 оно должно подсоединяться к валу вторичного преобразователя через четырехкратный редуктор.

Важной особенностью предложенной конструкции является герметичность датчика, позволяющая дистанционно без трудностей, подвижных уплотнений измерять прямой расход агрессивных, взрывоопасных, горючих и находящихся под большим положительным или отрицательным давлением жидкостей и газов.

Использование: в приборостроении для точного учета сжигаемого на котельных топлива и бытовых (производственных) нужд воды или газа. Сущность изобретения: в счетчике доз первичный измерительный преобразователь выполнен в виде двух пар кинематически связанных поворотно-выдвижных лопаток 2, размещенных в двойном фигурном корпусе. Передаточный механизм выполнен с гидросистемой, включающей в себя выдвижные и поворотные гидроцилиндры 7, 4, сообщенные маслопроводами 14, 16 с двумя взаимно перпендикулярными цилиндрами 15, 17 вторичного преобразователя 13, выходной вал которого связан со счетным устройством 12. Заполнение гидросистемы маслом образует жесткую взаимосвязь первичных измерительных преобразователей с валом вторичного преобразователя 13, при котором каждому угловому положению вала соответствует свое единственное пространственное положение лопаток 2 и при перемещении их под действием перекачиваемой среды происходит его вращение, при котором за один оборот маховым движением пар лопаток 2 отсекается и перемещается по ходу строго определенная доза, учитываемая счетным устройством 12. Изобретение позволяет повысить точность, надежность и долговечность приборов учета потребления любой жидкости или газа. 2 ил.

Счетчик доз преимущественно для перекачиваемой среды при учете сжигаемого топлива и бытовых нужд воды или газа, содержащий неподвижный корпус, размещенный в нем первичный измерительный преобразователь, передаточный механизм, вторичный преобразователь, информационный блок и счетное устройство, размещенные на валу вторичного преобразователя, отличающийся тем, что первичный измерительный преобразователь выполнен в виде поворотных гидроцилиндров со штоками и поршнями, в виде жестко закрепленных на штоках поворотных гидроцилиндров выдвижных гидроцилиндров с направляющими штоками с серединным расположением поршней и в виде двух пар попарно кинематически соединенных с поворотными гидроцилиндрами поворотно-подвижных лопаток прямоугольной формы, подвижно закрепленных направляющими штоками в выдвижных гидроцилиндрах, неподвижный корпус выполнен фигурным четырехходовым с сечением в плане, по конфигурации повторяющим форму траектории движения внешних концов четырех лопаток первичного измерительного преобразователя, и с двумя герметичными неподвижными перегородками, расположенными по ходу движения лопаток между точками их поворота, разнесенными на амплитуду, передаточный механизм выполнен в виде двух выдвижных гидроцилиндров и двух поворотных гидроцилиндров, а вторичный преобразователь выполнен в виде расположенных взаимоперпендикулярно один к другому двух равновеликих цилиндров с поршнями, причем поворотные гидроцилиндры первичного измерительного преобразователя попарно жестко закреплены на концах неподвижных перегородок корпуса, а два выдвижные и два поворотные гидроцилиндры передаточного механизма сообщены с двумя взаимоперпендикулярными равновеликими цилиндрами вторичного преобразователя посредством маслопроводов с образованием кривошипно-шатунного механизма, соединенного со штоками поворотных и выдвижных гидроцилиндров первичного измерительного преобразователя с образованием жесткой кинематической связи четырех лопаток первичного измерительного преобразователя с сидящими на валу вторичного преобразователя счетным устройством и информационным блоком, при этом переменные объемы пространства над и под поршнями в каждом цилиндре вторичного преобразователя последовательно соединены с переменными объемами пространства над и под поршнями поворотных гидроцилиндров одной пары лопаток и с переменными объемами над и под поршнями выдвижных гидроцилиндров другой пары лопаток первичного измерительного преобразователя, смещенных по фазе на амплитуду движения лопаток.