СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ РАСХОДА ЖИДКОСТИ Российский патент 1999 года по МПК G01F1/64 G01P5/08 

Изобретение относится к измерительной технике и физике межфазных явлений и может быть использовано в гидродинамике для определения расхода жидкости.

Известны способы регистрации расхода жидкости [1], в которых величина электродвижущей силы индукции пропорциональна средней скорости проводящей жидкости (расходу).

Известны также способы регистрации расхода жидкости путем измерения изменения электросопротивления от гидростатической силы потока жидкости [2].

Известен способ измерения скорости потока жидкости путем снятия сигнала с электродов, помещенных в жидкость, где затем измеряют спектральную плотность шумового напряжения в диапазоне 1-10 Гц, по величине которой судят об искомой величине [3].

Наиболее близким является способ регистрации расхода жидкости, заключающийся в измерении электродного потенциала под воздействием потока жидкости, обусловленного уносом зарядов из двойного электрического слоя (ДЭС), возникающего на границе раздела электрод - жидкость [4].

К причинам, препятствующим полному достижению указанного ниже технического результата при использовании известных способов, относится то, что при этом либо сложна сама методика измерения сигналов, либо невысока точность их измерений или ограничен диапазон жидкостей, для которых возможна регистрация расхода.

Задача предлагаемого решения заключается в повышении эффективности измерения расхода жидкости.

Технический результат выражается в возможности регистрации расхода любой жидкости более практичным, простым, доступным и безопасным путем.

Указанный технический результат достигается тем, что измеряют изменения электродного потенциала, возникающие в результате деформации электрода под воздействием потока жидкости.

Сущность предложенного изобретения в том, что два твердотельных электрода опускают в жидкую среду, один из которых деформируется под воздействием потока жидкости, при этом возникает изменение его электродного потенциала, а второй (недеформируемый) используется как электрод сравнения для определения соответствующего изменения потенциала деформированного электрода.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

Два твердотельных (металлических) электрода опускают в жидкую среду, один из которых деформируется под воздействием напора потока жидкости. При этом возникает изменение его электродного потенциала, а второй (недеформируемый) используется как электрод сравнения для определения соответствующего изменения потенциала деформированного электрода.

По своей сути все эти изменения потенциала связаны с электрокапиллярными явлениями, обусловленными существованием на границе раздела фаз твердое тело/жидкость двойного электрического слоя (ДЭС) [4]. В общем случае, напряженность электрического поля в ДЭС отличается от нуля, что обусловлено избыточным зарядом (ионов, электронов и ориентированных диполей) присутствующих в слое. Наличие зарядов в этом пограничном слое влияет на поверхностное натяжение межфазного слоя. При этом работа, требующая для создания ДЭС на поверхности раздела фаз, включает в себя процессы, связанные с поверхностным напряжением (деформацией), межфазным (пограничным) натяжением и с изменением электродного потенциала.

Теоретически связь между этими параметрами задается уравнениями (1) и (2) [5-7]

∂σ = -q∂φ. (2)
Здесь, F^S - удельная свободная поверхностная энергия (единицы площади поверхности);
U_ij -тензор поверхностной деформации;
I - единичный двухмерный тензор; σ_ij - символ Кронекера; q и φ - плотность заряда и электродный потенциал; σ - коэффициент пограничного натяжения на межфазной границе ДЭС.

Из приведенных уравнений (1) и (2) следует, что любое внешнее воздействие, приводящее к деформации твердого электрода, должно приводить к адекватному изменению электродного потенциала. Это изменение электродного потенциала и регистрируется в ходе воздействия потока жидкости, приводящий к деформации твердотельного электрода находящегося в жидкой среде.

Экспериментально это было осуществлено следующим образом: как показано на фиг.1, в разборную цилиндрическую трубку 1 с резиновым уплотнителем 6, в поперечное сечение трубки тока закреплены два металлических электрода 2 и 3 из не коррозируемых в жидкой среде материалов. Один из электродов, изготовленный в виде круглой мембраны 3 (на треть круга по периметру), закреплен в капсулу 4 и поддерживается с помощью пружинки 5, а второй - в виде штыря находится рядом.

Принцип работы устройства для измерения расхода жидкости заключается в следующем: в отсутствие тока жидкости в трубке электрод в виде мембраны полностью закрывает поперечное сечение трубки тока (нерабочее состояние, фиг. 1a).

При наличии потока жидкости в трубке тока этот электрод деформируется по потоку жидкости. В результате изменяется его электродный потенциал φ. Степень деформации при этом определяется величиной потока жидкости. Соответствующее изменение электродного потенциала регистрируется с помощью вольтметра с высокоомным входом. Для непосредственной оценки расхода жидкости вольтметр должен быть проградуирован в единицах л/с или м³/с.

Экспериментальные результаты, полученные для воды в водопроводной сети, представлены на фиг. 2, где в относительных единицах приведены данные изменения электродного потенциала от скорости потока воды. Из графика видно, что величина регистрируемого сигнала растет с ростом скорости потока жидкости в трубке тока. Имевшийся в нашем распоряжении источник не позволял расширить диапазон скорости потока жидкости более чем на 0,5 л/с, хотя нет принципиальных ограничений в подобных измерениях для более высоких скоростей потока жидкости.

Таким образом, по экспериментальным результатам, полученным нами, предлагается один из возможных способов регистрации расхода жидкости более простым и доступным методом.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Результаты поиска также показали, что заявленное изобретение не вытекает явным образом из известного уровня техники.

Предлагаемый способ регистрации расхода жидкости обладает рядом преимуществ по сравнению с прототипом:
1. простота исполнения;
2. технологичность изготовления;
3. возможность использования устройства для регистрации скорости потока жидкости любого вида, расплава и газа;
4. возможность подключения к любой трубке тока жидкости, газа.

Источники информации, принятые во внимание при составлении описания
1. Боббер Р.Дж. Гидроакустические измерения, 1974, М.: Мир, 362 с.

2. Аш Ж. и др. Датчики измерительных систем, 1992, М.: Мир, 420 с.

3. Авторское свидетельство СССР N 1067360, кл. G 01 F 1/00, 1984.

4. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. 1989. Л.: Машиностроение, 702 с.

5. Современная теория капиллярности. К 100-летию теории капиллярности Гиббса. Под ред. Русанова А.И., Гудрича Ф.Ч. Л., 1980.

6. Xerring G.// Phys. Rev., 1951. v. 82. p. 87.

7. Гохштейн А.Я. // Электрохимия. 1966. т.2, в. 11, с.1318.

В поток устанавливают два электрода, один из которых используют в качестве электрода сравнения. Измеряют изменение электродного потенциала второго электрода, обусловленное уносом зарядов из двойного электрического слоя на границе раздела электрод-жидкость, а также деформацией электрода под воздействием потока. Изобретение обеспечивает повышение эффективности измерения расхода жидкости. 2 ил.

Способ регистрации расхода жидкости путем измерения изменения электродного потенциала, отличающийся тем, что измеряют изменение электродного потенциала, возникающее в результате деформации электрода под воздействием потока жидкости.