УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ РАСХОДНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПОТОКА Российский патент 1997 года по МПК G01F1/68 

Изобретение относится к устройствам измерительной техники и предназначено для построения тепловых счетчиков потоков нагретых жидкостей и других теплоносителей.

Устройство может быть также использовано для: построения жидкостных ротационных расходомеров с коррекцией на температуру потока; построения измерителей массы сыпучих материалов или смесей, например шихты, перемещаемых по трубопроводу или конвейеру, с коррекцией на скорость движения потока; построения массовых расходомеров газожидкостных смесей типа сжиженных газов с коррекцией на плотность смеси.

Известно устройство для определения углового положения диска /1/. В этом диске по радиусу располагается определенная комбинация прозрачных и непрозрачных участков (зон неоднородностей). По всей ширине диска радиально расположен оптический многоэлементный детектор, который определяет комбинацию зон и вырабатывает двоичный цифровой код, зависящий от углового положения диска.

Недостаток этого устройства состоит в том, что оно не может выполнять вычислительные операции с двумя величинами и не может быть использовано в теплосчетчике.

Известен фототахометр для определения частоты вращения двигателя /2/.

Фототахометр имеет укрепленный на валу дисковый обтюратор с радиальными прорезями, который установлен между источником света и светочувствительным элементом. При вращении обтюратора на светочувствительный элемент поступает прерывающийся световой поток, преобразуемый в электрические импульсы, частота которых пропорциональна частоте вращения вала.

Недостаток фототахометра состоит в том, что он не может выполнять вычислительные операции с двумя величинами и не может быть использован в теплосчетчике.

В качестве прототипа выбран тепломер, который можно представить в виде функциональной схемы, содержащей измерительно-вычислительный блок, к которому подключен датчик расхода с подвижным элементом (крыльчатка, турбинка) и два преобразователя физического параметра среды (термометры сопротивления для измерения входной и выходной температуры потока). Измерительно-вычислительный блок содержит электронный множительный узел, выполняющий операцию умножения и одновременно определяющий количество потребляемого объектом тепла, а также счетчик импульсов, по которому производится отсчет /3/.

Недостаток устройства в том, что он содержит сложный измерительно-вычислительный блок, включающий дорогостоящий электронный множительный узел. Сложность и высокая стоимость известного устройства не позволяет широко использовать подобные теплосчетчики для массовых потребителей тепла.

Цель изобретения состоит в упрощении и удешевлении устройства контроля расходных параметров потока, например количества тепла, и обеспечение его доступности для массового потребителя.

Эта цель достигается тем, что в устройстве контроля расходных параметров потока, содержащем счетчик импульсов, входящий в измерительно-вычислительный блок, который соединен с имеющим подвижный элемент датчиком расхода и с преобразователем физического параметра среды, к подвижному элементу прикреплена пластина с зонами неоднородностей, преобразователь физического параметра выполнен с механическим выходом, в измерительно-вычислительный блок введен детектор зон неоднородностей со сканирующим элементом, расположенным так, что он имеет свободу перемещения вдоль поверхности пластины, выход детектора соединен со счетчиком импульсов, механический выход соединен со сканирующим элементом, а зоны неоднородностей в пластине расположены так, что их количество, регистрируемое детектором за один цикл движения пластины при фиксированном положении механического выхода, определяется значением физического параметра среды.

Поставленная цель изобретения достигается также тем, что в устройство контроля расходных параметров потока введен второй детектор зон неоднородностей со сканирующим элементом, а счетчик импульсов выполнен с дополнительным вычитающим входом, к которому подключен второй детектор зон неоднородностей.

Кроме того, поставленная цель достигается тем, что в устройство контроля расходных параметров потока к подвижному элементу прикреплена вторая пластина с зонами неоднородностей, а сканирующий элемент второго детектора зон неоднородностей расположен так, что имеет свободу перемещения вдоль поверхности второй пластины.

Достижение цели изобретения обеспечено тем, что измерительно-вычислительный блок устройства состоит из одного простого и дешевого электромеханического узла, содержащего пластину с зонами неоднородностей и детектор. Суть работы этого узла состоит в том, что количество импульсов, поступающее с детектора, пропорционально произведению числа циклов движения пластины (т.е. количеству прошедшего теплоносителя) на число зон неоднородностей в пластине на траектории цикла движения пластины, проходящей через сканирующий элемент, т. е. например температура. В устройстве непосредственно используются механические сигналы, что позволяет избавиться от сложных преобразователей сигналов и сложных электронных множительных устройств.

На фиг.1 дана схема устройства контроля расходных параметров потока; на фиг. 2 пример выполнения сканирующего элемента; на фиг. 3 пример выполнения устройства с одной пластиной и двумя детекторами.

Устройство контроля расходных параметров потока содержит датчик расхода 1 (фиг. 1), имеющий подвижный элемент 2, который совершает циклическое, например вращательное, движение, частота которого пропорциональна расходу теплоносителя в трубопроводе. Подвижный элемент 2 соединен с измерительно-вычислительным блоком 3. Этот блок содержит пластину 4, которая может иметь форму диска, цилиндра, конуса, плоскую форму и др. и может быть выполнена в виде одной детали или быть составной из нескольких деталей. В случае диска на пластине 4 выполнены зоны неоднородностей 5, имеющие разную длину в радиальном направлении и которые могут представлять собой прозрачные окна в непрозрачной пластине 4, ферромагнитные участки в немагнитной пластине 4, проводящие включения в непроводящей пластине 4, а также цветные или черно-белые риски или штрихи, нанесенные на поверхность пластины 4 и т.п. Вблизи поверхности пластины расположен детектор 6 зон неоднородностей, который с помощью расположенного на нем сканирующего элемента 7 определяет наличие зоны неоднородности 5 в пластине 4. Сканирующий элемент 7 может перемещаться вдоль поверхности пластины 4.

Преобразователь 8 физического параметра среды представляет собой однопараметрический или дифференциальный чувствительный элемент, фиксирующий значение температуры или плотности потока. Преобразователь 8 выполнен с механическим выходом 9, перемещение которого определяется абсолютным или разностным значением физического параметра. В случае теплосчетчика таким физическим параметром, интересующим потребителя, является температура теплоносителя, и в качестве преобразователя 8 можно использовать биметаллическую пластину, манометрический термометр и др. Механический выход 9 соединен со сканирующим элементом 7. Выход детектора 6 зон неоднородностей соединен с механическим или электрическим счетчиком импульсов 10.

На фиг. 2 приведена схема электромеханического узла, в котором преобразователь 8 физического параметра температуры выполнен в виде биметаллической пластины, а пластина 4 представляет собой плоский диск с зонам неоднородностей в виде прозрачных окон. Сканирующий элемент 7 содержит источник света 11 и светоприемник 12, которые закреплены на подвижной вилке 13. В момент нахождения зоны неоднородности 5 между источником света и светоприемником сигнал от светоприемника подается на усилитель-формирователь 14, который вырабатывает напряжение высокого уровня.

Пример 1. Устройство представляет собой теплосчетчик, установленный на сливном трубопроводе и открытой системе горячего водоснабжения. Датчик расхода 1 (фиг. 1) имеет крыльчатку (турбинку), соединенную с валом, представляющим собой подвижный элемент 2, вращающийся с частотой, пропорциональной расходу теплоносителя. Преобразователь 8 представляет собой биметаллическую пластину (фиг. 2), которая при повышении температуры протекающего теплоносителя изгибается и смещает вниз механический выход 9, выполненный в виде стержня, который спускает вниз подвижную вилку 13 со сканирующим элементом 7. При этом смещается вниз оптический канал между источником света 1 и светоприемником 12 на величину, пропорциональную повышению температуры теплоносителя. Пластина 4 вращается вместе с подвижным элементом 2. Когда зона неоднородности 5, выполненная в виде прорези в пластине 4, пересекает оптический канал между источником света 11 и светоприемником 12, усилитель-формирователь 14 вырабатывает импульс, поступающий на счетчик импульсов 10. При этом количество прошедших на счетчик 10 импульсов пропорционально произведению числа оборотов диска 4 за время работы теплосчетчика (т.е. количеству прошедшего теплоносителя) на число зон неоднородностей 5, находящихся на траектории сканирования (окружности R), которое пропорционально температуре теплоносителя, т.е. количество прошедших на счетчик 10 импульсов пропорционально количеству тепла, прошедшего с теплоносителем через теплосчетчик. Это достигается благодаря тому, что прорези (зоны неоднородностей 5), выполненные вдоль различных радиусов диска-пластины 4, имеют различную длину и расположены так, что их суммарное число по окружности радиуса R с увеличением радиуса возрастает пропорционально повышению температуры. Например, все прорези выполняются на одинаковом расстоянии от края диска 4 (фиг. 2, вид А), тогда с повышением температуры чем ниже от оси вращения диска опускается сканирующий элемент 7, тем большее число зон неоднородностей 5 пересекает оптический канал сканирующего элемента 7 на один оборот диска и тем большее количество импульсов поступит на счетчик 10. Поскольку количество импульсов за один оборот диска 4 пропорционально температуре теплоносителя, а число оборотов диска пропорционально количеству прошедшего теплоносителя, то поступающее на счетчик 10 количество импульсов пропорционально количеству тепла, перенесенного с теплоносителя через теплосчетчик. Размещение зон неоднородностей на пластине, выполненной в виде диска, производится следующим образом. Задают температуру теплоносителя T₁ и определяют радиус R₁ окружности, на которой устанавливается оптический канал сканирующего элемента (при фотоэлектрическом детекторе зон неоднородностей). На этой окружности намечаются начала зон неоднородностей, идущих радиально к периферии диска, число которых

где K_t масштабный коэффициент. Затем задают новую температуру T₂ T₁ + ΔT и определяют новый радиус R₂. На окружности радиуса R₂ должно разместиться m₂ зон неоднородностей:

поэтому на этой окружности намечают начала дополнительных Δm зон неоднородностей, идущих радиально к периферии диска.

В случае повышенных требований к точности измерений (например, при измерении энтальнии теплоносителя) необходимо учитывать зависимость теплоемкости теплоносителя от температуры C (T). В предлагаемом устройстве (теплосчетчике) это может быть достаточно просто учтено путем модификации процедуры разметки зон неоднородностей на пластине 4 так, что число зон неоднородностей на окружности определенного радиуса R расчитывают по формуле:

Пример 2. В системах замкнутого теплоснабжения необходимо определить количество тепла, потребляемое объектом, для чего следует измерять разницу температур теплоносителя на входе и выходе потребителя. В этом случае преобразователь 8 физического параметра среды содержит два дифференциально включенных манометрических термометра, а механический выход 9 установлен между двумя измерительными сильфонами манометрических термометров.

Пример 3. Устройство, описываемое в данном примере, может быть использовано в тех случаях, что и устройство, описанное в примере 2. Однако устройство в примере 2 может давать сравнительно большую погрешность из-за трудности получения точного разностного сигнала в преобразователе физического параметра среды 8 в случае малой разности входной и выходной температур теплоносителя. В данном случае (фиг. 3) помимо имеющихся в теплосчетчике детектора 6 зон неоднородностей и преобразователя 8 физического параметра среды дополнительно установлены второй детектор 15 зон неоднородностей и связанный с ним преобразователь 16 физического параметра среды. Счетчик импульсов 10 выполнен реверсивным с суммирующим и вычитающим входами, а выходы детекторов 6 и 15 зон неоднородностей подключены к разным входам счетчика 10. В этом случае, если при постоянной входной температуре теплоносителя количество тепла, потребляемое объектом, уменьшается, то температура выходного теплоносителя, измеряемая преобразователем 16 физического параметра среды, повышается. Число импульсов с детектора 15 увеличивается, что уменьшает содержание счетчика 10 и наоборот. Таким образом, показания счетчика определяют количество тепла, потребляемое объектом в замкнутой системе теплоснабжения. Для более четкой работы счетчика 10 необходимо, чтобы импульсы на его разные входы не совпадали во времени, для чего целесообразно, чтобы угол β (фиг. 3) между траекториями перемещения сканирующих элементов детекторов 6 и 15 был отличным от угла a между осями прорезей (зон неоднородностей 5).

В случае, если преобразователи физического параметра среды 8 и 16 имеют статистические характеристики R(T) с разными нелинейностями, необходимо для каждого детектора зон неоднородностей со сканирующим элементом иметь отдельную пластину (диск), разметка зон неоднородностей на которой производится с учетом соответствующих нелинейностей. Для этого к подвижному элементу 2 прикрепляют вторую пластину с зонами неоднородностей, а сканирующий элемент второго детектора 15 зон неоднородностей расположен так, что имеет свободу перемещения вдоль поверхности второй пластины. Конструкции теплосчетчиков могут несколько отличаться при использовании детекторов со сканирующими элементами различных типов, например, фотоэлектрических, работающих в проходящим или отраженном свете. Сканирующий элемент может быть также выполнен в виде заслонки, пересекающей оптический канал. В этом случае используются распределенные источник света и светоприемник, имеющие светоизлучающие и светоприемные поверхности во всем диапазоне перемещения сканирующего элемента. Светоприемник и источник света закреплены неподвижно с разных сторон пластины с зонами неоднородностей.

Использование устройства позволит резко сократить расходы на оснащение измерительной техники систем коммунального теплоснабжения, упростить техническое обслуживание узлов учета тепла, устранить бесконтрольное расходование и повысить экономичность потребления тепловой энергии и теплоносителей.

Использование: для создания тепловых счетчиков потоков нагретых жидкостей и других теплоносителей. Сущность изобретения: устройство содержит датчик расхода с подвижным элементом, к которому прикреплена пластина с зонами неоднородностей, число которых в случае выполнения пластин в виде диска различно на окружностях различного радиуса и определяется значением физического параметра теплоносителя-температуры. Вдоль поверхности пластины установлен с возможностью перемещения сканирующий элемент детектора зон неоднородностей. Сканирующий элемент соединен с механическим выходом преобразователя физического параметра среды, а выход детектора зон неоднородностей соединен со счетчиком импульсов. Кроме того, устройство содержит второй детектор зон неоднородностей со сканирующим элементом, который подключен к дополнительному вычитающему входу счетчика импульсов. Кроме того, устройство содержит вторую пластину с зонами неоднородностей, соединенную с подвижным элементом датчика расхода. Сканирующий элемент второго детектора зон неоднородностей установлен с возможностью перемещения вдоль второй пластины. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство контроля расходных параметров потока, содержащее счетчик импульсов, входящий в измерительно-вычислительный блок, соединенный с подвижным элементом датчика расхода и с преобразователем физического параметра среды, отличающееся тем, что в него введены пластина с зонами неоднородностей, закрепленная на подвижном элементе датчика расхода, детектор зон неоднородностей со сканирующим элементом, установленным с возможностью перемещения вдоль поверхности пластины с зонами неоднородностей, при этом выход детектора зон неоднородностей соединен со счетчиком импульсов, а выход преобразователя физического параметра среды, выполненный механическим, соединен со сканирующим элементом. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в него введен второй детектор зон неоднородностей со сканирующим элементом, а счетчик импульсов выполнен с дополнительным вычитающим входом, к которому подключен второй детектор зон неоднородностей. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что в него введена вторая пластина с зонами неоднородностей, соединенная с подвижным элементом датчика расхода, а сканирующий элемент второго детектора зон неоднородностей установлен с возможностью перемещения вдоль поверхности второй пластины.