РАСХОДОМЕР-СЧЕТЧИК ГАЗА ИЛИ ЖИДКОСТИ (ЕГО ВАРИАНТЫ) Российский патент 1997 года по МПК G01F1/10 

Изобретение относится к области измерительной техники, расходометрии или дозиметрии и предназначено, в частности, для создания коммунально-бытовых (абонентных или групповых) счетчиков газа и перегретого пара, горячей и холодной воды, а также тепла.

Известен турбинный преобразователь расхода, содержащий корпус с входным и выходным каналами, турбинку с лопатками и опто-электронный счетчик числа оборотов турбинки.

Недостатком известного устройства является наличие большой зоны нечувствительности в области малых расходов и как следствие низкая точность измерения, а также относительно большое энергопотребление оптического счетчика.

Техническим результатом от использования изобретения является расширение диапазона измерения в сторону малых расходов и увеличение точности измерения при уменьшении энергопотребления.

Это достигается в первом варианте тем, что турбинка с лопатками размещена в корпусе в стакане-демпфере с окнами, в которых подвешены дугообразные двуплечие анкерные створки с кулачками, соединенные между собой тягами, тяги выполнены из маломоментных непрямолинейных пружинок, по концам защемленных на ребрах жесткости анкерных створок и симметрично охватывающих фрикционное кольцо-колесо, на оси которого установлено или совмещено с ним храповое колесо со стопором, обеспечивающим вращение колеса только в одну сторону и связанное со счетчиком числа оборотов турбинки.

Кроме того, анкерные створки снабжены диагональными растяжками, наружными ребрами жесткости в виде фрикционного башмака с наружным диаметром D₁, выполненного с возможностью контакта с внутренней фрикционной кромкой кольца, внутренний диаметр D₂ превышает диаметр D₁, при этом кольцо свободно подвешено на стержнях и спицах в виде карусели соосно оси вращения турбинки и связано со счетчиком числа оборотов турбинки. При этом рабочая поверхность фрикционных башмаков выполнена с изменяющейся конусностью, профиль которой обеспечивают при изготовлении посредством изменения диаметра образующей поверхности в зависимости от ее расположения по высоте относительно фрикционной кромки кольца или пояска стакана.

Технический результат во втором варианте достигается тем, что турбинка размещена в корпусе в стакане-демпфере и связана со счетчиком числа оборотов посредством магнитной или механической передачи, стакан-демпфер в цилиндрической части выполнен сплошным из композиционного материала, содержащего пластмассу с включением магнитомягких присадков в части, содержащей наружный поясок с закругленной внешней фрикционной кромкой, снаружи стакан-демпфер охвачен соосной с турбинкой карусельной подвеской, связанной со счетчиком числа оборотов турбинки и состоящей из кольца-колеса, спиц, стержней и ряда фрикционных башмаков, подвешенных на диагональных растяжках и выполненных из магнитомягкого материала, при этом внутренний диаметр дуги поверхности фрикционных башмаков выбран больше наружного диаметра фрикционной кромки пояска стакана-демпфера, а силовые линии постоянных магнитов, закрепленных на турбинке, ориентированы в радиальных направлениях для прижатия и фрикционного контактирования определенной части фрикционных башмаков к фрикционной кромке пояска стакана-демпфера и обеспечения их перекатывания по нему без скольжения по нему.

При выполнении диаметра фрикционного башмака изменяющимся по высоте h, а диаметра D₂ изменяющимся с изменением температуры газа или жидкости и регулировки положения уровня подвески фрикционного кольца или пояска по высоте за счет изменения давления, внешней или внутренней температуры легко достигается автоматическая коррекция плотностной погрешности, а также расширяются функциональные возможности такого расходомера-счетчика до реализации функции измерения как холодной, так и горячей воды, как "холодного" газа, так и перегретого пара, а также определения-счета поступающего тепла, например, при отоплении помещений.

На фиг. 1 показан первый вариант схемы турбинного расходомера с четырьмя лопатками и качающимися створками, фрикционными тягами и кольцом-колесом; на фиг. 2, а то же в разомкнутом виде; на фиг. 2,б в замкнутом виде; на фиг. 3 второй вариант выполнения расходомера с лепестками створками, фрикционными башмачками и кольцом-колесом на карусельной подвеске (вид спереди и сверху); на фиг. 4 схема турбинного расходомера-счетчика с магнитной волновой передачей.

Расходомер содержит фрикционные тяги 1, фрикционное кольцо-колесо 2, храповое колесо 3, двуплечие створки 4, оси качания створок или башмаков 5, лопатки турбинки 6, кольцевое рабочее соплопатрубок 7, траекторию движения потока газа или жидкости 8, подвеску створок или фрикционных башмаков 9, стопор 10, фрикционную кромку кольца 11, гедограф распределения сил P или избыточных давлений 12, турбинку 13, фрикционные башмаки 14, стержни-подвески 15, спицы-подвески 16, ось карусельной подвески 17, щели-зазоры между башмаками или створками 18, ω₁ частота вращения турбинки и годографа распределения сил P, ω₂ частота вращения фрикционного кольца-колеса, v - векторы скорости перемещения точек крепления тяг, D₁ внутренний диаметр фрикционного кольца или внешний диаметр фрикционной кромки пояска стакана, D₂ внешний диаметр фрикционного башмака створки-лепестка или внутренний диаметр фрикционного башмака из магнитомягкого материала; выходной патрубок 19, стакан-демпфер 20, фрикционные кромки пояска стакана-демпфера 21, кольцо-колесо подвески 22, постоянные магниты 23, внутренняя поверхность створки-лепестка 24.

На фиг. 1 приведена схема турбинного расходомера-счетчика газа или жидкости с четырьмя лопатками 6 и качающимися створками 4, фрикционными тягами 1 и одним кольцом-колесом 2. Тяги 1 могут соединять створки попарно, как показано на фиг. 2,а в разомкнутом виде, или в замкнутой системе, что отражено на фиг. 2,б. Векторы v скоростей точек закрепления тяг и створок представлены на один произвольно выбранный момент. С целью упрощения демпфирующий стакан на фиг. 1-3 не показан. Фрикционное кольцо-колесо 2, имеющее возможность поворачиваться только в одну сторону с частотой ω₂ благодаря храповому колесу 3 и маломоментному стопору 10, размещено соосно с турбинкой. Вращение кольца-колеса вызывается тангенциальными составляющими сил трения F_т тяг 1 и кольца 2, которые во всех точках оказываются направленными в одну сторону а) против часовой стрелки или б) по часовой стрелке. За счет этих сил F_т кольцо-колесо 2 за каждый цикл работы створок 4 переместится на 1 зуб храпового колеса 3, т.е. при полном повороте турбинки на 1 оборот кольцо-колесо 2 повернется на 4 зуба, что позволяет обеспечить передаточное отношение порядка 50. 150. Максимальная частота работы фрикционной передачи ограничена полосой 0,6.60 Гц, что соответствует частотному диапазону работы турбинки в 0,15.15 Гц.

Все фрикционные тяги 1 выполнены в виде защемленных на ребрах жесткости створок 4 нелинейных пружинок круглого сечения по торцу, охватывающих фрикционное кольцо 2 попарно снизу и сверху. Храповое колесо 3 через червячную передачу и магнитную муфту (на фиг. 1 и 2 не показаны) передается на аналого-цифровой шестиразрядный счетчик количества газа или жидкости. Точность работы такого расходомера ограничена ±2%
На фиг. 3 приведена схема двухлопастного (число лопаток можно увеличить) турбинного расходомера с принципиально другой газогидродинамической механической передачей частоты вращения турбинки, которая позволяет повысить функциональные возможности расходомера. Для упрощения схемы демпфирующий стакан на чертеже не показан, но на нем в верхней и нижней части закреплены на маломоментных пружинках 9 ажурные створки 4 с демпфирующими перемычками и ребрами жесткости. Наружные части створок также снабжены ребрами жесткости, которые служат одновременно для балансировки и в качестве фрикционных башмаков 14. Движение створок с внутренней стороны ограничено стаканом-демпфером, а с наружной стороны пружинками-подвесками 9 и фрикционным кольцом-колесом 2. Поэтому створки 4 имеют 2 свободно-ограниченных оси движения вдоль оси вращения турбинки и по радиальному направлению.

Фрикционное кольцо-колесо 2 имеет свободную карусельную подвеску в 3 точках на штифтах, состоящую из трех тяг 15 и трех спиц 16, опирающихся посредством ступицы на подвижную точку опоры 17 (на керн). Внутренняя образующая фрикционного кольца 2 в сечении имеет закругленную кромку.

В нижней части схемы (фиг. 3) представлен пунктиром годограф распределения избыточных давлений или сил P, действующих на створки 4. При расходе газа в 0,01 куб. м/час симметрично распределенные силы прижатия створок к фрикционному колесу оказываются весьма малыми порядка 0,1 мН, но вполне достаточными для привода фрикционного колеса, так как контакт происходит по точкам с коэффициентом трения покоя. При повышении расхода упомянутые силы трения покоя существенно увеличиваются, что обеспечивает работу фрикционной передачи без скольжения. Зазоры-щели 18 между фрикционными башмаками создают систематическую мультипликативную погрешность, которая легко корректируется градуировкой устройства.

На фиг. 4 приведены схема трехлопастного (число лопаток 6 можно выбрать иным) турбинного расхдомера-счетчика с магнитной волновой передачей частоты вращения ω₁ турбинки 13 к отсчетному механическому устройству. В этом варианте стакан-демпфер 20 в цилиндрической части выполнен сплошным (без окон) из, например, композиционного материала, с включением магнитомягкого порошка железа-армко. Это позволяет изолировать измеряемый поток агрессивного газа или жидкости от "ходовой" и отсчетной части устройства. В наружной части окружности стакана-демпфера 20 выполнен поясок с закругленной внешней фрикционной кромкой 21, которая охвачена соосно с турбинкой 13 карусельной подвеской, связанной механически со счетчиком числа оборотов и состоящей из кольца-колеса 22 со спицами 16, стержнями 15 и фрикционными башмаками 14, подвешенными на диагональных пружинных подвесах 9 и выполненных из магнитомягкого материала, например железа-армко, при этом внутренний диаметр D₂ дуг поверхности соприкосновения фрикционных башмаков 14 и кромки 21 выбран больше наружного диаметра фрикционной кромки 21 пояска стакана-демпфера 20, а силовые линии постоянных магнитов 23, закрепленных на турбинке 13, ориентированы в радиальных направлениях для прижатия (фрикционного контактирования) определенной части фрикционных башмаков 14 к кромке 21 пояска и обеспечения их "перекатывания" без скольжения по нему и, тем самым, сохранения выбранного достаточно высокого передаточного отношения.

Работа расходомера-счетчика по фиг. 1 и 2 заключается в следующем. При наличии расхода газа или жидкости за счет вращения лопаток 6 турбинки 13 происходит перераспределение давлений потока на створках 4, что приводит к их качению относительно осей подвесок. Пружинящие фрикционные тяги 1, охватывающие с двух противоположных сторон фрикционный ободок кольца-колеса 2 и связанные с качающимися створками 4, передают посредством трения скольжения упомянутые движения храповому колесу 3. Заметим, что движения тяг и распределения сил при заходе лопатки 6 на начало створки 4 имеют более сосредоточенный характер. При этом силы прижима тяг 1 и силы F_т трения оказываются существенно увеличенными по отношению ко второму полупериоду, когда лопатка 6 проходит выходную половину створки 4. В этом случае пружинящие фрикционные тяги 1 оказываются ослабленными, силы F_т их трения по кольцу-колесу 2 уменьшенными. В этот полупериод храповое колесо 3 заторможено стопором 10. Поэтому вращение колес происходит периодически в одну сторону. Надежность работы такой фрикционной передачи повышается в случае полной кинематической замкнутости системы створок 4 и тяг 1 (фиг. 2,б). Однако последний вариант требует тщательной сборки и наладки передачи.

Работа расходомера-счетчика по фиг. 3 проходит более плавно, так как фрикционные башмаки 14 лепестков-створок 4 симметрично "отмеряют" свою длину по внутренней закругленной фрикционной кромке 11 кольца-колеса 2 без заметного скольжения.

Передаточное отношение без учета разрывов 18 между башмаками легко определить посредством разности длин ΔL окружностей соприкосновения. Для случая D₁ 50,1 и D₂ 50 мм
ΔL = π(D₁-D₂) = 3,14•0,1 мм = 0,314 мм
Для случая D₁ 51 мм и D₂ 50 мм имеем ΔL = 3,14•1 = 3,14 мм, т.е. в 10 раз передаточное отношение оказывается большим. Или

Работа расходомера-счетчика по фиг. 4 имеет свои особенности, во-первых, в части достаточно мощного магнитного и магнитоиндукционного демпфирования вращения турбинки 13 стаканом-демпфером 20, выполненным, например, из композиционного полупроводящего магнитомягкого материала. Во-вторых, выполненные, например, из редкоземельных материалов в виде лепестков и неподвижно закрепленные в нижней части лопаток 6 турбинки 13 миниатюрные магниты 23 снабжены магнитопроводами, которые обеспечивают радиальную ориентацию магнитных силовых линий, проходящих через стакан-демпфер 20, его фрикционную кромку 21 и замыкающихся, в основном, по дугам фрикционных башмаков 14. За счет такого прохождения магнитных силовых линий и механической связи через пружинки подвески 9 фрикционные башмаки 14 образуют как бы "эластичное" кольцо, имеющее возможность свободно без скольжения "обкатываться" по фрикционной кромке 21 и тем самым передавать вращение турбинки 13 через карусельную подвеску на механический счетчик.

В-третьих, устройство по фиг. 4 позволяет достаточно просто изолировать измеряемый поток, например, агрессивного газа или жидкости от ходовой и отсчетной части механизма.

В работе устройств по фиг. 3 и 4 исключительно значимой является возможность простой наладки, регулировки и автоматической коррекции мультипликативной составляющей инструментальной и методической погрешности.

Предлагаемое устройство позволяет без использования электропитания, обеспечив полную взрывобезопасность и достаточно малую инструментальную составляющую погрешности (вплоть до 0,1.1%), снизить и методическую погрешность.

Эта задача реализуется по предложению фиг. 3 и 2 выполнением диаметра D₁ фрикционных башмаков 14 плавно изменяющимся в зависимости от положения H точек их контактирования с фрикционной кромкой 21 пояска стакана-демпфера 20 (фиг. 4) или фрикционного кольца 2 (фиг. 3), т.е. D₁ D₁(H).

Температурная плотностная погрешность корректируется автоматически за счет выбора материалов по их температурным коэффициентам удлинения и соответствующего конструктивного выполнения карусельной подвески с использованием биметаллического или дилатометрического способа (стержни 15, спицы 16, стакан-демпфер 20, точка подвеса 17) реализации положения H подвески фрикционной кромки 21 или фрикционных башмаков 14.

Барометрическая плотностная составляющая погрешности корректируется автоматически путем использования анероидно-деформационного способа, т.е. барометрических элементов абсолютного давления, реализованного путем автоматического изменения положения точки опоры 17 карусельной подвески блоком анероидных коробок или изменения положения точек закрепления стержней, например, используя винтовую полую анероидную пружину или путем выполнения фрикционных башмаков 14 полыми с откачкой из них воздуха.

Так как фрикционные башмаки 14 перекатываются по внутренней закругленной фрикционной кромке 21 кольца-колеса по точкам, распределенным по некоторой линии, то обеспечивается расширение функциональных возможностей устройства в случае, если выполнить фрикционные башмаки 14 с изменяющимся диаметром D₂(H) по высоте Н.

Использование: в измерительной технике для создания коммунально-бытовых счетчиков газа, горячей и холодной воды. Сущность изобретения: устройство содержит фрикционные тяги, фрикционное кольцо-колесо, храповое колесо, двуплечие створки, турбинку с лопастями, рабочее сопло-патрубок, подвеску створок, стопор, фрикционные башмаки, стержни подвесок, спицы подвесок, входной и выходной патрубки, стакан-демпфер, постоянные магниты. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Расходомер-счетчик газа или жидкости, содержащий корпус с входным и выходным каналами, турбину с лопатками и счетчик числа оборотов турбины, отличающийся тем, что турбина с лопатками размещена в корпусе в стакане-демпфере с окнами, в которых подвешены дугообразные двуплечие анкерные створки с кулачками, соединенные между собой тягами, тяги выполнены из маломоментных непрямолинейных пружинок, по концам защемленных на ребрах жесткости анкерных створок и симметрично охватывающих фрикционное кольцо-колесо, например, попарно снизу и сверху кольца-колеса, на оси которого установлено или совмещено с кольцом храповое колесо со стопором, обеспечивающим вращение колеса только в одну сторону, связанное со счетчиком числа оборотов турбинки. 2. Расходомер-счетчик по п. 1, отличающийся тем, что анкерные створки снабжены диагональными растяжками и наружными ребрами жесткости в виде фрикционного башмака с наружным диаметром D₁, выполненным с возможностью контакта с внутренней фрикционной кромкой кольца, внутренний диаметр D₂ которой превышает диаметр D₁, при этом кольцо свободно подвешено на стержнях и спицах в виде карусели соосно c осью вращения турбинки и связано со счетчиком числа оборотов. 3. Расходомер-счетчик по п.2, отличающийся тем, что рабочая поверхность фрикционных башмаков выполнена с изменяющейся конусностью, профиль которой обеспечивают при изготовлении посредством изменения диаметра образующей поверхности в зависимости от ее взаимного расположения по высоте относительно фрикционной кромки кольца или пояска стакана. 4. Расходомер-счетчик газа или жидкости, содержащий корпус с входным и выходным каналами, турбинку с лопатками и счетчик числа оборотов турбинки, отличающийся тем, что турбинка размещена в корпусе в стакане-демпфере и связана со счетчиком числа оборотов посредством магнитной или механической передачи, стакан-демпфер в цилиндрической части выполнен сплошным из композиционного материала, содержащего пластмассу с включением магнитомягких присадков в части, содержащей наружный поясок с закругленной внешней фрикционной кромкой, снаружи стакан-демпфер охвачен соосно с турбинкой карусельной подвеской, связанной с счетчиком числа оборотов турбинки и состоящей из кольца-колеса, спиц, стержней и ряда фрикционных башмаков, подвешенных на диагональных растяжках и выполненных из магнитомягкого материала, при этом внутренний диаметр дуги поверхности фрикционных башмаков выбран больше наружного диаметра фрикционной кромки пояска стакана-демпфера, а силовые линии постоянных магнитов, закрепленных на турбинке, ориентированы в радиальных направлениях для прижатия и фрикционного контактирования определенной части фрикционных башмаков и фрикционной кромки пояска стакана-демпфера и обеспечения их перекатывания без скольжения по нему. 5. Расходомер-счетчик п. 4, отличающийся тем, что рабочая поверхность фрикционных башмаков выполнена с изменяющейся конусностью, профиль которой обеспечивают при изготовлении посредством изменения диаметра образующий поверхности в зависимости от ее расположения по высоте относительно фрикционной кромки кольца или пояска стакана.