ДАТЧИК РАСХОДА ГАЗА Российский патент 2003 года по МПК G01F1/24 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения расхода жидких и газообразных сред и, в частности, для измерения расхода природного газа.

Известно множество конструкций первичных преобразователей расхода жидких и газообразных сред, основанных на различных физических принципах. В том числе: на основе измерения перепада давления в специальном сужающем устройстве (диафрагма, труба Вентури), вставляемом в магистраль; на основе измерения напора движущейся среды при столкновении с преградой различной формы, помещаемой в магистраль (измеряется сила воздействия потока среды на преграду); на основе измерения скорости вращения турбинки, обтекаемой потоком жидкости или газа; на основе измерения высоты подъема поплавка в конической или цилиндрической трубке под напором потока жидкости или газа (при подъеме поплавка увеличивается кольцевой просвет между поплавком и стенками конической трубки или конической насадкой, проходящей через центральное отверстие поплавка); на основе измерения частоты образования вихрей при обтекании средой плохообтекаемого тела, помещаемого в поток среды (эта частота оказывается пропорциональной скорости потока); на основе измерения электрического сопротивления терморезистора, помещаемого в поток контролируемой среды и подогреваемого проходящим по нему электрическим током, и др. [1, 2].

Для построения датчика расхода газа с широким диапазоном измеряемых расходов и особенно малых расходов наиболее удобно использовать ротаметрические первичные преобразователи, основанные на методе постоянного перепада давления. Это уже упоминавшиеся преобразователи, в которых под действием потока контролируемой среды на обтекаемое им тело (поплавок) последний поднимается на определенную высоту, зависящую от скорости потока (расхода). В [1, с. 228-233] описывается две наиболее широко используемые конструкции ротаметров: с конической трубкой и цилиндрической трубкой и коаксиально размещенным в ней конусом. Для преобразования положения поплавка в электрический сигнал может использоваться дифференциально-трансформаторный преобразователь, подвижный сердечник которого соединен штоком с поплавком [1, с. 232, рис.7.16 в] , магнитоиндукционный метод [3] , система герконов, включаемых постоянным магнитом, встроенным в поплавок [4] или емкостной метод [5].

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является емкостной ротаметр по а.с. 1682792 [5]. Он состоит из конической трубки, выполненной из диэлектрического материала, внутри которой размещен поплавок таким образом, что в крайнем нижнем положении он полностью перекрывает нижнее (меньшее) отверстие конической трубки. Под напором потока газа, подводимого снизу, поплавок поднимается на определенную высоту и между ним и внутренней поверхностью трубки образуется кольцевой зазор, через который и проходит поток газа. Площадь этого зазора будет пропорциональна высоте подъема поплавка, которая, в свою очередь, зависит от скорости потока газа (т. е. его расхода). Эта высота будет соответствовать моменту наступления равновесия между действующей на поплавок подъемной силой потока газа и весом поплавка. Чтобы стабилизировать положение поплавка по оси конусной трубки при его подъеме, на боковой поверхности поплавка выполняются косые канавки, проходя через которые газ придает поплавку вращательное движение, а его центр тяжести находится ниже сечения с максимальной площадью, что предохраняет его от опрокидывания. На наружной поверхности конусной трубки размещены три обкладки дифференциального емкостного преобразователя, одна из которых имеет вытянутую прямоугольную форму и расположена вдоль образующей конусной трубки, а две других - треугольную, причем треугольные обкладки размещаются по обе стороны от прямоугольной так, что их высотные стороны находятся на одинаковом расстоянии от прямоугольной обкладки и параллельны ей, а их основания расположены в противоположных направлениях (одно снизу, другое сверху). Поплавок выполнен из диэлектрического материала с высокой диэлектрической проницаемостью. Поэтому при его подъеме обе емкости дифференциального емкостного преобразователя, измеряемые между прямоугольной обкладкой и каждой из треугольных, будут изменяться (одна увеличиваться, а другая уменьшаться).

Основными недостатками описанного ротаметра являются малая величина измеряемых емкостей (по прикидочным расчетам - меньше одной пикофарады) и недостаточная чувствительность емкостного преобразователя. Малая величина измеряемых емкостей определяется большим расстоянием между прямоугольной и треугольными обкладками (особенно между противолежащими прямоугольной обкладке сторонами треугольных обкладок). А малая чувствительность определяется слабой зависимостью этих емкостей от положения поплавка. Действительно, даже если выполнить поплавок из конденсаторной керамики с относительной диэлектрической проницаемостью порядка 100 (все остальные диэлектрические твердые материалы, включая полимерные, имеют диэлектрическую проницаемость от 2 до 8), то и в этом случае основная доля емкостей между прямоугольной и треугольными пластинами будет определяться силовыми линиями электростатических полей рассеяния, замыкающимися между высотными сторонами треугольных обкладок, находящимися в непосредственной близости от прямоугольной обкладки, причем эти силовые линии будут замыкаться не через поплавок, а через материал трубы и воздушный зазор. Более того, по мере подъема поплавка радиальный зазор между обкладками и поплавком будет увеличиваться, а значит, влияние поплавка на эти емкости будет ослабляться еще сильнее. Это, кстати, приведет к нелинейности функции преобразования емкостного преобразователя. Все эти недостатки резко ухудшают точность измерения расхода газа.

Техническими задачами, на решение которых направлено предполагаемое изобретение являются резкое повышение чувствительности датчика расхода, увеличения величины емкости емкостного преобразователя и, как следствие, повышение точности измерения расхода газа, а также упрощение конструкции и технологичности датчика.

Указанные задачи решаются путем использования цилиндрической конструкции корпуса ротаметра, применения металлического поплавка (вместо диэлектрического) и использования встречно направленных по крайней мере двух пар треугольных обкладок емкостного дифференциального преобразователя.

Конструкция самого ротаметра показана на фиг. 1, а форма обкладок (развертка) емкостного преобразователя - на фиг.2. На фиг.3 показана проекция боковых стенок поплавка на развертку обкладок при произвольном расположении поплавка, а на фиг.4 - электронная измерительная схема.

Датчик расхода газа состоит из цилиндрического корпуса 1 из диэлектрического материала, центрального конуса 2, также изготовленного из диэлектрического материала, поплавка 3 из электропроводного материала (например, отштампованного из алюминия) с центральным отверстием такого диаметра, что в нижнем положении поплавка оно точно соответствует сечению конуса, а внешний диаметр поплавка с минимальным зазором соответствует внутреннему диаметру цилиндрического корпуса 1. На наружной поверхности цилиндрического корпуса размещены две пары электропроводных обкладок 4 дифференциального емкостного преобразователя перемещения поплавка в виде двух пар встречно расположенных равнобедренных треугольников, развертка которых показана на фиг.2. Электронная измерительная схема (фиг. 4) состоит из генератора высокочастотного переменного напряжения 5, инвертирующего усилителя 6, во входную цепь и в цепь обратной связи которого включены емкости С1 и С2, образованные обкладками дифференциального емкостного преобразователя перемещения поплавка, детектора 7, дифференциального усилителя 8 и источника регулируемого образцового напряжения 9. Причем выход генератора высокочастотного переменного напряжения 5 через емкость С1 подключен ко входу инвертирующего усилителя 6, а выход инвертирующего усилителя подключен к детектору 7, выход которого соединен с одним из входов дифференциального усилителя 8, а второй его вход подключен к выходу источника регулируемого образцового напряжения 9.

Датчик расхода газа работает следующим образом. Датчик встраивается в газовую магистраль строго вертикально так, чтобы поток газа был направлен снизу (по стрелкам на фиг. 1). При нулевом расходе газа давление снизу и сверху поплавка 3 одинаково и поплавок под собственным весом опускается в крайнее нижнее положение, при котором кольцевой зазор между поплавком 3 и центральным конусом 2 равен нулю. При наличии расхода газа давление сверху поплавка падает и под напором газового потока снизу поплавок поднимается на такую высоту, на которой напор газа снизу уравновешивается весом поплавка и уменьшившимся давлением газа сверху поплавка (см. [1, с. 228 - 231]). При подъеме поплавка емкость С1 между парой обкладок, направленных вершинами вниз, будет расти, а емкость С2 между парой обкладок, направленных вершинами вверх будет уменьшаться. Это будет происходить потому, что металлический поплавок будет играть роль центрального подвижного электрода и, таким образом, каждая из емкостей (С1 и С2) будет представлять собой последовательное соединение двух емкостей, образованных боковыми участками поверхности поплавка, противолежащими соответствующим участкам поверхности наружных обкладок (заштрихованные участки на фиг.3). При симметричных зазорах между поплавком и обкладками эти емкости будут одинаковы и вдвое превышать емкость, измеренную между пластинами (т.к. при последовательном соединении двух одинаковых конденсаторов их результирующая емкость будет вдвое меньше емкости каждого конденсатора). Емкости С1 и С2 подключаются к дифференциальной измерительной схеме, например, изображенной на фиг.4. Можно показать, что в этом случае отношение емкостей С1/С2 при крайних положениях поплавка (верхнем и нижнем) будет изменяться более чем в 300 раз, тогда как в прототипе это отношение в лучшем случае изменялось на (10-20)%.

Пренебрегая искажениями электрического поля на краях обкладок дифференциального емкостного преобразователя (т.е. считая поле однородным в зазоре между наружными обкладками и соответствующими участками боковой поверхности поплавка - на фиг.3 эти участки заштрихованы) и используя обозначения, введенные в фиг.3, легко подсчитать величину емкости между боковой поверхностью поплавка и противолежащим ей участком одной из обкладок при крайних положениях поплавка. По известной формуле для плоского конденсатора
C = Sεε₀/δ, (1)
где S - площадь обкладок конденсатора;
ε и ε₀ - соответственно относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика, разделяющего обкладки конденсатора, и абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума;
δ - расстояние (зазор) между обкладками.

Поскольку при перемещении поплавка величины δ и ε остаются неизменными и меняется только перекрываемая площадь, то для определения изменения отношения С1 к С2 достаточно подсчитать соответствующие отношения площадей перекрытия двух пар пластин.

При произвольном положении поплавка (высота его подъема равна X) эти площади имеют форму равнобедренной трапеции высотой h, соответствующей высоте боковой поверхности поплавка. Эта площадь равна
S=h(b₁+b₂)/2, (2)
где b₁ и b₂ - нижнее и верхнее основания трапеции.

Их можно вычислить по формулам:
b₁=B(1-Х/Н); (3)
b₂=B[1-(X+h)/H]. (4)
При крайнем нижнем положении поплавка для обкладок, вершины которых направлены вверх, нижнее основание трапеции равно В, верхнее основание - В(1-h/H), а значит, площадь перекрытия будет
S_max=hB(2-h/H)/2. (5)
Для тех же обкладок при крайнем верхнем положении поплавка площадь перекрытия будет определяться площадью равнобедренного треугольника высотой h и основанием В[1-(H-h)/H]
S_min=hB[1-(H-h)/H]/2. (6)
Для противоположно направленных обкладок все будет наоборот, т.е. нижнему положению поплавка будет соответствовать минимальная площадь перекрытия, а верхнему - максимальная. Поэтому изменение каждой из емкостей С1 и С2 при перемещении поплавка из крайнего нижнего в крайнее верхнее положение будет равно
ΔС/С=S_max/S_min=(2H-h)/h. (7)
Таким образом, изменение отношения емкостей при перемещении поплавка из крайнего нижнего положения в крайнее верхнее составит

Пусть h=0,1Н, тогда это изменение составит 19²=361, т.е. полезный сигнал будет изменяться в 361 раз. Это очень высокая чувствительность (напоминаем, что в прототипе соответствующее изменение отношений емкостей вряд ли составит более 10%). Кроме того, абсолютные значения этих емкостей также увеличатся по сравнению с прототипом не менее чем на порядок, поскольку не менее чем на порядок уменьшается зазор между обкладками конденсатора (если учесть, что в данном случае роль подвижной обкладки играет боковая стенка металлического поплавка), а величина зазора при перемещении поплавка остается неизменной. Это существенно облегчает измерение этих емкостей. Конечно, проделанный анализ является приближенным (не учтены криволинейность обкладок - они расположены на наружной поверхности цилиндра - и поля рассеяния на их краях, а также емкости между обкладками за счет полей, замыкающихся через воздух - выше и ниже поплавка). Однако все сделанные упрощения не будут существенно влиять на результаты расчета.

В качестве измерительной схемы могут быть использованы мостовые схемы, в которых емкости С1 и С2 включаются в смежные плечи моста. Однако при этом возникают определенные трудности с отстройкой от влияния паразитных распределенных емкостей, которые по своей величине могут существенно превосходить измеряемые емкости. Такую отстройку обеспечивает измерительная схема на основе операционного усилителя, изображенная на фиг.4. Она состоит из генератора высокочастотного переменного напряжения 5, инвертирующего усилителя 6, к которому экранированными кабелями подключаются емкости С1 и С2 дифференциального емкостного преобразователя ротаметра, детектора 7, дифференциального усилителя 8 и источника образцового напряжения 9. Дальнейшая схема счетчика расхода газа не показана, т.к. это уже выходит за рамки предмета изобретения. Операционный усилитель с емкостями С1 и С2 будет работать как инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления, равным

Следовательно, выходной сигнал усилителя будет пропорционален отношению этих емкостей.

Сопротивления утечки R1 и R2 величиной несколько мегаом необходимы для предотвращения насыщения усилителя входными токами операционного усилителя. Использование экранированных кабелей стабилизирует распределенные паразитные емкости монтажа и защищает вход усилителя от электромагнитных наводок. Паразитные емкости соединительных кабелей Cп₁, Сп₂ и Сп₃ показаны на фиг.4 штриховыми линиями. При этом, Сп₁ оказывается включенной параллельно малому выходному сопротивлению генератора, а потому не будет оказывать воздействия на измерительную схему. Аналогично этому, Сп₃ оказывается включенной параллельно низкому выходному сопротивлению усилителя, а значит, также не будет оказывать влияния. Что же касается емкости Сп₂, то, поскольку инвертирующий вход усилителя всегда имеет практически нулевой потенциал (за счет глубокой отрицательной обратной связи усилителя) и такой же потенциал имеет заземленный экран кабеля, то токов утечки через эту емкость не будет, а значит, и она не будет оказывать влияния на измерительную схему. Переменное напряжение с выхода усилителя детектируется детектором 7 и далее поступает на один из входов дифференциального усилителя 8. На второй его вход поступает постоянное напряжение с выхода источника 9 регулируемого образцового напряжения. Оно регулируется таким образом, чтобы при нижнем положении поплавка (нулевом расходе), оно равнялось бы выпрямленному сигналу с выхода усилителя (сигнал в этом случае минимален), и тогда на выходе дифференциального усилителя сигнал будет равен нулю. При подъеме поплавка сигнал будет возрастать пропорционально росту отношения емкостей С1/С2.

Таким образом, при упрощении конструкции датчика (резко упрощается конструкция поплавка) достигнуто многократное повышение чувствительности датчика, устранение влияния паразитных распределенных емкостей и увеличение абсолютных значений емкостей дифференциального емкостного преобразователя перемещения поплавка. Следовательно, все поставленные технические задачи решены.

Литература
1. Фарзане Н.Г., Илясов Л.В., Азим-заде А.Ю. Технологические измерения и приборы: Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 1989. - 456 с.

2. Спектор С.А. Электрические измерения физических величин. Методы измерений: Учеб. пособие для вузов. - Л.: Энергоатомиздат, 1987. - 320с.

3. А.с. СССР 595625. Ротаметр / Брюханов Б.К., Григоровский Б.К. Завьялов В.Г. Опубл. 28.02.1978, БИ 8.

4. А. с. СССР 792076. Ротаметр / Колмыков С.П., Тарханов О.В. Опубл. 30.12.1980, БИ 48.

5. А.с. СССР 1682792. Емкостной ротаметр / Дубровский М. Г., Зеленин А. Н. Опубл. 7.10.1991, БИ 37.

Датчик содержит ротаметр, включающий цилиндрическую измерительную трубку и расположенный внутри нее конус, выполненные из диэлектрического материала. Конус проходит через отверстие в металлическом поплавке, который является подвижным электродом емкостного дифференциального преобразователя перемещения поплавка. Обкладки преобразователя, расположенные на наружной поверхности измерительной трубки, имеют форму двух пар равнобедренных треугольников, направленных вершинами навстречу друг другу. Измеряемые емкости С1 и С2 образованы обкладками, вершины которых направлены одинаково. Электронная измерительная схема датчика включает в себя генератор высокочастотного переменного напряжения, детектор, дифференциальный усилитель, источник регулируемого образцового напряжения и инвертирующий усилитель, к которому экранированными кабелями подключены емкости С1 и С2. Изобретение обеспечивает высокую точность измерения благодаря резкому повышению чувствительности, а также увеличению емкостей преобразователя перемещения. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Датчик расхода газа, содержащий поплавковый ротаметр с цилиндрической диэлектрической измерительной трубкой и поплавком, емкостный дифференциальный преобразователь перемещения поплавка, обкладки которого расположены на наружной поверхности цилиндрической измерительной трубки, и электронную измерительную схему, отличающийся тем, что поплавок с центральным отверстием, через которое проходит центральный конус из диэлектрического материала, выполнен из электропроводного материала и является центральным подвижным электродом, а обкладки емкостного дифференциального преобразователя имеют форму двух пар равнобедренных треугольников, расположенных вершинами навстречу друг другу так, что боковые стороны смежных обкладок параллельны, причем измеряемые емкости С1 и С2 образованы обкладками, расположенными так, что их вершины направлены одинаково. 2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что его электронная измерительная схема состоит из генератора высокочастотного переменного напряжения, выход которого через емкость С1 емкостного дифференциального преобразователя подключен к сигнальному входу инвертирующего усилителя, емкость С2 преобразователя включена в цепь отрицательной обратной связи этого усилителя, а выход инвертирующего усилителя подключен к детектору, выход которого соединен с одним из входов дифференциального усилителя, а второй его вход подключен к выходу источника регулируемого образцового напряжения.