ДАТЧИК РАСХОДА ПОТОКА ЖИДКОСТИ Российский патент 1999 года по МПК G01F1/38 G01P13/00 

Изобретение относится к устройствам для измерения расхода жидкостей с колеблющимся элементом, приводящимся в движение потоком этих жидкостей, и пропускающим их непрерывным потоком.

Уровень техники характеризует устройство, описанное в изобретении по а. с. N 313090, опубл. 31.08.71 г. в бюл. N 26, G 01 F 3/12, которое содержит подводящий и отводящий каналы, связанные рабочей камерой повышенного объема, где демпфируются колебания и пульсации давления жидкости и где смонтирован чувствительный элемент, упруго нагруженный и уравновешенный. Чувствительный элемент, взаимодействуя с потоком жидкости, изменяет пространственное положение, что регистрируется преобразователем в виде выходного сигнала другой физической природы, чем сигнал на его входе. Преобразованный сигнал регистрируется, обрабатывается, измеряется и используется в качестве управляющего сигнала обратной связи для исполнительных механизмов.

Устройство контроля за расходом жидкости применяется в магистралях продуктопроводов, системах водоснабжения, дозированной раздачи жидкости промышленных станций, топлива в двигателях внутреннего сгорания.

Достоинством описанного устройства являются широкие технологические возможности использования для активного контроля расхода разнообразных сред, включая агрессивные, нестационарных реверсивных потоков жидкости в трубопроводах высокого давления.

Однако, недостатком этого устройства является сложность конструкции и настройки магнитоуправляемых узлов, переналадки дискретного порога срабатывания сменой шариков различного диаметра (чувствительного элемента), что нетехнологично и трудоемко.

Более простой и функционально надежной конструкцией датчика расхода потока жидкости, выбранной в качестве прототипа, является описанная в изобретении по а. с. N 870936, G 01 F 1/28, 1981 г., содержащая рабочую камеру с подводящими и отводящими каналами, внутри которой соосно подводящему каналу помещен упруго нагруженный пружиной чувствительный элемент в виде патрубка, связанного с преобразователем, представляющим собой катушку индуктивности, и регистрирующий прибор.

Подводящий канал со стороны камеры посредством пружины закрыт дисковым клапаном, к которому примыкают продольные сквозные пазы боковой поверхности патрубка, расположенного в подводящем канале. Второй конец подвижного протяженного патрубка служит сердечником катушки намагничивания.

Известное устройство плавно работает в широком диапазоне расходов жидкости, потому что соотношение проходных сечений каналов и продольных пазов патрубка для коммуникации с рабочей камерой оптимизировано в доверительном диапазоне погрешностей.

Недостатком прототипа является высокий порог срабатывания из-за большого гидравлического сопротивления дискового клапана патрубка, имеющего относительно большой вес ферромагнитного сердечника, и переменная жесткость пружины реверсирования клапана, что снижает точность измерения при различных потоках и разных ходах осевого патрубка. Инерционность следящей системы датчика вносит погрешность в регулирование расхода потока жидкости.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение точности контроля расхода потока жидкости путем снижения порога срабатывания датчика повышенной чувствительности, без нарушения режима течения жидкости.

Требуемый технический результат достигается тем, что в известном датчике расхода потока жидкости, содержащем рабочую камеру с подводящим и отводящим каналами, внутри которой соосно подводящему каналу помещен упруго нагруженный чувствительный элемент в виде патрубка, связанный с преобразователем, согласно изобретению патрубок, проходное сечение которого равно проходному сечению каналов, выполнен в виде усеченного конуса, помещенного между элементами оптопары преобразователя внутри прозрачной направляющей втулки, соосно отводящему каналу.

Предложенная геометрическая форма выполнения патрубка минимизирует его гидравлическое сопротивление, повышая чувствительность к изменению расхода потока жидкости, и обеспечивает функционирование в виде поршня за счет силы трения потока, так и за счет разрежения в объеме между конической его поверхностью и цилиндрической направляющей втулкой при осевой струйной подаче потока, что снижает порог срабатывания.

Отличительные признаки позволили повысить точность тонкой настройки, которая зависит только от расхода жидкости, являясь функцией скорости потока. При этом компенсируются погрешности давления нестационарного потока и переменной жесткости нагружаемой в динамике пружины реверса воспринимающего чувствительного элемента измерительного преобразователя.

Оптический тракт преобразователя изолирован от контролируемой жидкости прозрачной втулкой - направляющей для продольных перемещений коаксиального ей патрубка, коммутирующего связь свето- и фотодиода оптопары под действием сил трения потока жидкости заданного расхода, что повышает быстродействие и точность срабатывания, упрощает конструкцию.

Таким образом, каждый существенный признак сам по себе известен, но их совокупность представляет новизну качества, то есть получен эффект суммы, а не сумма эффектов, что означает необходимость каждого существенного признака, а их совокупность достаточной для достижения нового технического результата.

Практическая реализация предложенный конструкции доступна специалисту отрасли, совокупность признаков не известна и явным образом не следует из уровня техники.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором схематично изображен предлагаемый датчик.

Пример выполнения датчика имеет лишь иллюстративные цели и не ограничивает объема прав совокупности существенных признаков формулы изобретения.

Подводящий 1 и отводящий 2 каналы сообщаются посредством рабочей камеры 3, внутри которой соосно каналам 1 и 2 и коаксиально между собой смонтированы: неподвижно втулка 4 из оргстекла и нагруженный тарированной пружиной 5 патрубок 6. Жесткость пружины 5 выбрана из условия удержания и возврата патрубка 6 в исходное положение (на чертеже верхнее положение). Патрубок 6 имеет проходное сечение, равное проходному сечению каналов 1 и 2, то есть основное проходное сечение. В нижней части патрубок 6 имеет форму усеченного конуса 7, который образует свободный объем 8 камеры 3, где установлена пружина 5. В верхней части корпуса камеры 3 по оптической оси, нормальной оси датчика, установлен светодиод 9 и фотодиод 10, образующие оптопару - бесконтактный преобразователь, отображающий положение чувствительного элемента - патрубка 6 в пространстве, как индикатор расхода жидкости. Фотодиод 10 электрически связан в нашем случае с коммутатором включения лазера и схемой управления расхода жидкости (на чертеже условно не показаны).

Работает предложенная структура следующим образом. Поток охлаждающей лазер жидкости установленного расхода через канал 1, патрубок 6 и канал 2 непрерывно подается в систему охлаждения выключенного в исходном состоянии лазера. При этом в объеме 8 возникает разрежение, обусловленное струйным осевым потоком жидкости, и, как результат, разность давлений на торцах патрубка 6. Разностью давлений и силой трения потока жидкости, пропорциональных скорости потока, патрубок 6 перемещается вниз, сжимая пружину 5 - устанавливается оптический канал оптопары 9 - 10. Световой пучок диода 9 с минимальным рассеиванием и поглощением в прозрачной втулке 4 и потоке жидкости принимается фотодиодом 10, который вырабатывает электрический сигнал управления, в частности на включение лазера, охлаждение которого соответствует установленному расходу жидкости в системе.

Когда поток жидкости падает, патрубок 6 перемещается к исходному положению. При достижении критического значения потока оптический канал оптопары 9 - 10 перекрывается патрубком 6 и сигнал фотодиода 10 поступает в схему управления на отключение лазера и (или) увеличение расхода жидкости. Далее процесс повторяется. Таким образом, предложенное устройство является следящей системой с обратной связью управления и саморегулированием.

Сравнительно с действующими датчиками расходомеров, изобретение обеспечило на 20-30% снижение порога чувствительности при прочих равных условиях. Так, предложенный датчик расхода потока жидкости без изменения характеристик проточной части действующего образца реагирует на поток 3,6 ± 0,1 л/мин. Действующий образец срабатывает при потоке 4,5 - 5,2 л/мин.

Изобретение может быть использовало для контроля расхода нестационарных потоков разнообразных сред, в т.ч. агрессивных. В рабочей камере, внутри прозрачной направляющей втулки между элементами диодной оптопары размещен упруго нагруженный чувствительный элемент в виде патрубка, имеющего форму усеченного конуса для обеспечения струйной подачи потока. Проходное сечение патрубка равно проходному сечению подводящего и отводящего каналов. Датчик имеет низкий порог срабатывания, отличается простотой и надежностью функционирования. 1 ил.

Датчик расхода потока жидкости, содержащий рабочую камеру с подводящим и отводящим каналами, внутри которой соосно подводящему каналу помещен упруго нагруженный чувствительный элемент в виде патрубка, связанный с преобразователем и выполняющий функцию поршня, отличающийся тем, что патрубок, проходное сечение которого равно проходному сечению каналов, выполнен в виде усеченного конуса, помещенного между элементами диодной оптопары преобразователя внутри прозрачной направляющей втулки соосно отводящему каналу.