УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ ОБЪЕМОВ И РАСХОДОВ ГАЗА Российский патент 2002 года по МПК G01F3/22 

Изобретение относится к технике объемных измерений газа и может быть применено для непрерывного автоматического измерения объема (расхода) газа в условиях повышенного шума и вибрации.

В качестве прототипа взято "Устройство для контроля интенсивности разложения перекиси водорода" (свидетельство на полезную модель 335, зарегистрировано 15 апреля 1995 г. ), состоящее из сосуда с водой, в который опущена трубка ввода газа. Одна из стенок сосуда (или дно) выполнены в виде звукопрозрачной мембраны, напротив которой расположен акустический датчик - микрофон, подключенный к последовательно соединенным усилителю и формирователю импульсов - одновибратору (ждущему мультивибратору).

Устройство считает выходящие из трубки ввода пузырьки газа, гидроакустические импульсы которых преобразуются датчиком и электронным устройством в электрические и параллельно поступают на показывающие приборы: счетчик и индикатор числа импульсов (пузырьков) за единицу времени. Так как объем пузырька известен, то по счетчику определяется объем всего прошедшего газа, а по индикатору - скорость газовыделения (расход). Несовершенством прототипа является чувствительность к внешним шумам и вибрациям, что приводит к погрешности в измерениях и применению устройства, в основном, в лабораторных условиях.

Проведенный анализ показал, что, например, звуковая частота в гидроакустическом импульсе при выходе пузырька в воду из трубки с внутренним диаметром 4 мм равна 1,5-2 кГц, следовательно, все другие частоты в этом случае являются помехой. Установлено также, что акустические помехи на мембрану устройства и датчик - микрофон передаются, в основном, по стенкам сосуда и (в меньшей степени) по трубке ввода в собственную мембрану микрофона.

Задачей изобретения является разработка устройства, устойчивого к внешним шумам и вибрациям, что расширяет область его применения. Эта задача решается следующими способами:
- амортизацией сосуда и уменьшением акустического контакта датчика и мембраны устройства с сосудом путем помещения их в акустически изолированный от сосуда корпус;
- сужением полосы пропускания частот путем применения датчика без собственной мембраны, чувствительный элемент которого механически связан с мембраной устройства, а также включением фильтров верхних и нижних частот (или полосового фильтра) в цепь усилителя;
- уменьшением акустических помех со стороны трубки ввода газа путем установки входного клапана.

Обозначения на чертеже:
1. Амортизаторы.

2. Основание.

3. Сосуд.

4. Трубка ввода газа.

5. Клапан.

6. Трубка выхода газа.

7. Прокладка.

8. Корпус.

9. Мембрана устройства.

10. Датчик.

11. Якорь датчика (чувствительный элемент).

12. Шток-соединитель.

13. Фильтр нижних частот.

14. Фильтр верхних частот.

15. Усилитель.

16. Формирователь импульсов (одновибратор).

17. Частотомер (цифровой прибор).

На чертеже изображен один из вариантов исполнения заявляемого устройства, предназначенного для непрерывного счета пузырьков газа (и определения по ним объема или расхода), устойчивого к шумам и вибрациям. В стоящем на амортизаторах 1, установленных на основании 2, сосуде с водой 3, расположены опущенная в воду калиброванная трубка ввода газа 4 с клапаном 5 и трубка выхода газа 6. К нижней части сосуда через амортизирующую и уплотняющую прокладку 7 крепится корпус 8, верхний торец которого образует мембрану 9, а стенки выполнены более массивными. В корпусе укреплен датчик: электромагнитная система микрофона 10, якорь которой 11 механически связан с мембраной 9 штоком-соединителем 12. Датчик подключен через частотные фильтры 13 и 14 к усилителю 15.

Устройство работает в условиях шума и вибраций следующим образом. Амортизаторы 1 гасят толчки и удары и значительную часть низкочастотной вибрации. Акустические помехи, проникшие на сосуд, ослабляются амортизирующей прокладкой 7 и массивной стенкой корпуса 8, и датчик 10 без собственной мембраны на них не реагирует. Мембрана 9 может реагировать на гидроакустическую помеху, проходящую по трубке 4 и столбу воды в ней. Эту помеху ослабляет клапан 5; он же предотвращает "высасывание" воды при образовании разрежения на входе устройства.

Таким образом, гидроакустические импульсы от выходящих из трубки ввода пузырьков газа улавливаются мембраной 9, через соединитель 12 передаются на датчик 10, которым преобразуются в электрические импульсы с минимальным уровнем помех. Дальнейшее ослабление помех происходит в частотных фильтрах 13 и 14, а импульсы полезного сигнала, представляющие собой "пачки" периодов звуковой частоты, усиливаются, формируются ждущим мультивибратором (одновибратором) 16 в прямоугольные импульсы одинаковой длительности и амплитуды и поступают на электронно-счетный частотомер (показывающий прибор), работающий в зависимости от положения переключателя рода работы как счетчик импульсов (пузырьков) или индикатор числа импульсов в минуту(расход). От выхода цифрового кода частотомера может быть задействована автоматическая система регулирования, например, технологического процесса, системы дистанционной передачи данных, сигнализации и т.д.

Активные частотные фильтры 13 и 14 выполнены по известным схемам на операционных усилителях-микросхемах типа К140УД6. В схеме устройства могут быть применены пассивные RC или LC-фильтры, а также избирательный усилитель.

Усилитель 15 собран на микросхеме типа К548УН1, представляющей собой два малошумящих усилителя в одном корпусе, один из которых здесь выполняет роль усилителя звуковой частоты, а второй, соединенный с первым через диодный детектор, является усилителем импульсов постоянного тока, запускающих формирователь импульсов (одновибратор). Одновибратор 16 собран на микросхеме ТТЛ типа К155АГ1, представляющей собой законченный функциональный узел (за исключением времязадающих емкости и резистора). Выход одновибратора подключен к входу частотомера в зависимости от напряжения срабатывания последнего напрямую или через выходной транзистор.

При использовании в устройстве миниатюрного датчика (например, электретного микрофона) корпус 8 может быть выполнен в виде кронштейна, один конец которого крепится изнутри к верхней крышке сосуда, а второй, с мембраной и датчиком, опущен в воду и подведен к нижнему срезу трубки ввода газа. Роль штока-соединителя здесь выполняет капля клея; не возникает проблемы герметизации дна сосуда, сокращается площадь соприкосновения сосуда с корпусом и, следовательно, акустические помехи на датчик.

Устройство может найти применение при измерении малых объемов (расходов) газа и в качестве датчика в автоматических системах как в стационарных, так и в полевых условиях, в передвижных лабораториях и на транспорте.

Список использованных источников
1. Устройство для контроля интенсивности разложения перекиси водорода. Свидетельство на полезную модель 335 от 15 апреля 1995 г.

2. Зельдин Е.А. Цифровые интегральные микросхемы в информационно-измерительной аппаратуре. Энергоатомиздат. 1986. с. 266-273.

3. Изъюрова Г.И. и др. Расчет электронных схем. Высшая школа 1987. 190 с.

4. Интегральные микросхемы. Справочник. Под ред. Тарабрина Б.В. Радио и связь 1983. 458 с.

Использование: измерения малых объемов и расходов газа в условиях шумов и вибрации. Сущность: сосуд закреплен на амортизаторах, установленных на основании. Мембрана устройства и чувствительный элемент датчика механически соединены штоком и помещены в корпус, акустически изолированный от сосуда амортизирующей прокладкой. На входе газа установлен клапан, снижающий уровень акустических помех. В цепь усилителя включены фильтры нижних и верхних частот. Введение перечисленных конструктивных элементов и связей позволяет получить на выходе усилителя минимальное напряжение помех. Импульсы полезного сигнала усиливаются, формируются одновибратором и поступают на цифровой прибор, например частотомер, работающий как счетчик импульсов (объем) или индикатор числа импульсов в минуту (расход). От выхода цифрового кода частотомера может быть задействована автоматическая система регулирования, сигнализации, дистанционной передачи данных. Технический результат: повышение устойчивости устройства к акустическим помехам. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для измерения малых объемов и расходов газа, содержащее сосуд с жидкостью, помещенную в нее трубку ввода газа, трубку вывода газа, расположенную в верхней части сосуда, контактирующую с жидкостью мембрану с установленным напротив нее акустическим датчиком, последовательно соединенные усилитель, формирователь импульсов и показывающий прибор, отличающееся тем, что в него введены основание с амортизаторами для установленного на них сосуда, вмонтированный в одну из стенок сосуда корпус с мембраной, механически связанной штоком с чувствительным элементом датчика, закрепленного в корпусе и подключенного к усилителю, имеющему в своей цепи последовательно соединенные фильтры верхних и нижних частот, а трубка ввода газа снабжена клапаном. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве показывающего прибора использован цифровой прибор с выходом цифрового кода. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что корпус акустически изолирован от сосуда амортизирующей и уплотняющей прокладкой.