ЕМКОСТНЫЙ РОТАМЕТР Российский патент 2003 года по МПК G01F1/24 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения объемного расхода газа.

Известен "Измеритель расхода жидкости и газа" по патенту Швейцарии 252803, G 01 F 1/22, 1938 г., выполненный в виде стеклянной трубки, внутри которой находится коаксиально установленный конический стержень. На коническом стержне насажен кольцевой поплавок, который перемещается в стеклянной трубке под воздействием газа или жидкости до тех пор, пока разница в давлении между нижней и верхней частью поплавка не станет равной весу поплавка. Расход жидкости регистрируется визуально по шкале, закрепленной с внешней стороны стеклянной трубки. Известная конструкция предполагает визуальный съем информации, а следовательно, точность регистрации показаний не соответствует требованиям точности современных измерительных устройств, например, достигаемых средствами вычислительной техники.

Известны ротаметры, содержащие конусную трубку с размещенным внутри нее поплавком и преобразователь положения поплавка в выходной сигнал. Ротаметр по а.с. 595625, G 01 F 1/22 имеет преобразователь положения поплавка в виде треугольной обмотки, а поплавок снабжен постоянным магнитом. Ротаметр по а. с. 792076, G 01 F 1/22 содержит поплавок с магнитом и герконы, расположенные вокруг конусной трубки и снабженные обмотками подмагничивания.

Недостатком известных устройств является следующее: конусная измерительная трубка, применяемая в ротаметрах, сложна в изготовлении, позволяет производить измерение расхода только в узком диапазоне, что приводит к многообразию ротаметров. При измерении расхода проходящей через ротаметр среды поплавок начинает колебаться внутри трубки, что снижает точность показаний ротаметра. Преобразователи положения поплавка в выходной сигнал сложны, что затрудняет их массовое применение,
Наиболее близким по технической сути к предлагаемому решению является емкостный ротаметр по а.с. 1682792, G 02 F 1/22. Известный емкостный ротаметр содержит диэлектрическую коническую трубку с размещенным внутри нее поплавком и измерительный конденсатор емкостного дифференциального преобразователя. Первая и вторая обкладки измерительного конденсатора выполнены в виде треугольников с криволинейным основанием и расположены по обе стороны от третьей обкладки, выполненной в виде прямоугольной полосы. Обкладки конденсатора закреплены на внешней стороне трубки, а поплавок выполнен из материала с высокой диэлектрической проницаемостью.

Недостатком известного устройства, кроме перечисленных ранее, является то, что электронная дифференциальная схема преобразователя является сложной и требует очень высокой точности изготовления деталей ротаметра. Конструкция ротаметра по а.с. 1682792 сложна в изготовлении и имеет недостаточную точность измерения, особенно при незначительных расходах измеряемой среды (например, газа). Колебания поплавка внутри конусной трубки увеличивают погрешность измерения расхода среды емкостным дифференциальным преобразователем, что приводит к значительным искажениям истинного значения расхода. При увеличении расхода увеличивается высота поплавка внутри конической трубки, увеличивается расстояние между обкладками конденсатора, что приводит к сложным, нелинейным изменениям значений емкости, которые сложно анализировать для вычисления истинного значения расхода среды. Измерение расхода возможно только в узком диапазоне. Это приводит к необходимости создания большого количества типоразмеров ротаметров. Причем, чем больший расход измеряется, тем ниже точность измерения и сложнее электрическая и электронная схемы автоматизированных средств, обеспечивающих съем и обработку информации. Поэтому использование конических ротаметров для измерения больших индустриальных объемов потребления газа ничтожно мало. Кроме того, интенсивные вихревые потоки измеряемой среды, особенно в верхней части трубки, где очень мала электрическая емкость обкладок конденсатора, приводят к значительным колебаниям поплавка, что резко снижает чувствительность ротаметра. Стабилизация положения поплавка требует дополнительного усложнения конструкции ротаметра.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, - разработка простого и надежного в работе ротаметра, позволяющего производить измерение объемного расхода газа в широком диапазоне с высокой точностью.

Предлагаемый ротаметр содержит диэлектрическую трубку с размещенным внутри нее поплавком в форме колпачка, расположенного вверх донышком, и измерительный конденсатор емкостного преобразователя с обкладками, расположенными на наружной поверхности диэлектрической трубки. Новым в ротаметре является то, что поплавок выполнен из токопроводного материала и надет на конический стержень, основание которого установлено в нижней части диэлектрической трубки. Диэлектрическая трубка выполнена цилиндрической, а каждая из обкладок измерительного конденсатора представляет собой по меньшей мере пару соединенных между собой трапеций.

Применение в предлагаемом емкостном ротаметре поплавка из токопроводного материала позволяет образовать электрическую схему из двух пар последовательно соединенных перестраиваемых конденсаторов. Каждый из конденсаторов образуется обкладкой, расположенной на поверхности диэлектрической трубки (наружная обкладка конденсатора), и токопроводным поплавком (внутренняя обкладка конденсатора), которые разделены стенкой диэлектрической трубки. С помощью токопроводного поплавка осуществляется соединение этих конденсаторов. Емкостные значения конденсаторов зависят от уровня положения поплавка, которым определяется размер площади наружных обкладок.

Емкость конденсатора (см. , например, С.Э. Фриш и Л.В. Тиморева, Курс общей физики, т.2, Москва, 1959 г.) определяется по формуле

где S - площадь пластины конденсатора;
d - расстояние между пластинами;
ε - диэлектрическая постоянная материала, заполняющего зазор между пластинами.

При определении текущей величины емкости (Ci) площадь пластин конденсатора определяется площадью поплавка относительно исходного положения. Расстоянием d является толщина стенки трубки d_т, а диэлектрической постоянной материала - ε_т - диэлектрическая постоянная материала трубки.

Следовательно

для последовательно соединенных одинаковых конденсаторов.

Измерительный конденсатор известного ротаметра, выбранного в качестве прототипа, образуется обкладками, между которыми расположены несколько слоев диэлектрического материала: стенка диэлектрической трубки и поплавок из материала с высокой диэлектрической проницаемостью. Емкость преобразователя перемещения поплавка для таких же условий определяется по формуле

где d_п - диаметр поплавка;
ε_п - диэлектрическая постоянная поплавка.

Сравнение формул (1) и (2) показывает, что при одинаковых габаритах трубки ротаметров, поплавка и пластин в предлагаемом устройстве и прототипе величина емкости преобразователя может быть равна емкости предлагаемого ротаметра в случае, если для диэлектрического поплавка ε_п = ∞, что практически невозможно. Кроме того, поплавок в этом случае может быть выполнен только полностью из диэлектрика (например, фарфора), что увеличивает его вес, а следовательно, снижает точность измерения. Применение в измерительном конденсаторе обкладок трапециевидной формы позволяет выбирать размер основания трапеций таким, чтобы получить большую начальную емкость по сравнению с обкладками треугольной формы при одинаковой высоте обкладок. Это повышает точность измерения расхода газа, когда колпачок поднят на незначительную высоту и зазор между стенками колпачка и диэлектрической трубкой соизмерим с зазором между стержнем и донышком колпачка. При перемещении поплавка на всю высоту трубки приращение емкости в предлагаемом ротаметре больше, чем в прототипе, что повышает точность измерения.

Развертка обкладок емкостного ротаметра по а.с. 1682792 и его электрическая схема соединения обкладок конденсаторов показаны на фиг.1, 2. Развертка обкладок предлагаемого емкостного ротаметра и его электрическая схема соединения обкладок конденсаторов показаны на фиг.4, 5.

Изменения емкости конденсаторов при изменении положения поплавка при одинаковых размерах трубок ротаметров, измеряющих расход газа в одинаковом диапазоне, показаны в табл.1 и 2.

Для прототипа общая емкость


Для предлагаемого емкостного ротаметра общая емкость
.

Из приведенных табл.1 и 2 видно, что при перемещении поплавка емкость в прототипе изменяется в пределах от 1 до 1,939 пФ. При этих же условиях в предлагаемом ротаметре емкость изменяется от 1 до 32 пФ.

Выполнение диэлектрической трубки цилиндрической значительно упрощает и повышает точность ее изготовления. При этом диапазон измерения расширяется и повышается точность измерения. Выполнение поплавка в форме колпачка делает его более легким, поплавок реагирует на малейшие изменения восходящего потока газа, что повышает точность измерения. Выполнение обкладок измерительного конденсатора в форме трапеций, соединенных между собой, позволяет исключить погрешности измерения, связанные с колебанием поплавка при его подъеме в трубке.

С целью повышения точности измерения количество пар соединенных между собой трапеций может быть увеличено.

Наличие новых элементов, связей между ними и новая форма выполнения элементов позволяют повысить чувствительность и точность измерения расхода среды и расширить диапазон измерения.

На фиг. 1 - развертка обкладок емкостного ротаметра по а.с. 1682792 на фоне крайних положений поплавка.

На фиг.2 - электрическая схема соединения обкладок конденсаторов емкостного ротаметра по а.с. 1682792.

На фиг.3 - предлагаемый емкостный ротаметр.

На фиг.4 - развертка обкладок предлагаемого емкостного ротаметра на фоне крайних положений поплавка.

На фиг.5 - электрическая схема соединения обкладок конденсаторов предлагаемого ротаметра.

Предлагаемый емкостный ротаметр содержит цилиндрическую трубку 1, выполненную, например, из стекла. Внутри трубки установлен коаксиально расположенный стержень 2, основание которого находится в нижней части трубки 1. Стержень 2 выполнен из токопроводного материала, например металла. На конический стержень 2 насажен поплавок 3, выполненный в форме колпачка с отверстием. Диаметр отверстия колпачка выбран таким образом, что он равен диаметру стержня на уровне высоты колпачка в его нижнем положении. Колпачок выполнен также из токопроводного материала, например металла. Преобразователь перемещения поплавка выполнен емкостным и имеет измерительный конденсатор с обкладками 4 (С₂) и 5 (С₁), расположенными на наружной поверхности диэлектрической трубки. Обкладки нанесены на трубку, например, методом вакуумного напыления металла.

Каждая из обкладок конденсатора представляет собой по меньшей мере пару соединенных друг с другом равнобедренных трапеций (см. фиг.4), подсоединенных к измерителю (не показан).

В зависимости от необходимой точности измерения выбирают количество трапеций для каждой обкладки.

Предлагаемый емкостный ротаметр работает следующим образом. При прохождении газа через диэлектрическую трубку 1 поплавок 3 под воздействием восходящего потока измеряемой среды (например, газа) перемещается вверх вдоль конического стержня 2. Емкостное значение конденсаторов определяется пересечением площади рисунка наружных обкладок конденсатора с площадью поверхности поплавка. Перемещение поплавка изменяет и емкостное значение конденсаторов С₁ и С₂. При этом емкостное значение конденсаторов С₁ и С₂ всегда одинаково и колеблется лишь в диапазоне колебания поплавка 3 внутри диэлектрической трубки 1. Однако последовательное чередование трапециевидных обкладок по всей образующей поверхности трубки нивелирует эти колебания в диапазоне общего среднего значения. Некоторое увеличение площади пересечения поверхности поплавка 3 на одном сегменте обкладок вызывает уменьшение площади пересечения на другом сегменте этой же обкладки. Аналогичное происходит и на другой группе сегментов второй обкладки конденсатора. Таким образом, перемещение поплавка 3 изменяет площадь поперечного сечения проходного отверстия, образующегося между конусным стержнем 2 и внутренним диаметром поплавка 3, при этом изменяется емкость измерительного конденсатора с обкладками 4. Изменение емкости регистрируется измерительной схемой пропорционально изменению расхода газа. Предлагаемый емкостный ротаметр позволяет с высокой точностью измерять расход природного и сжиженного газа в широком диапазоне измерения. Емкостный ротаметр прост в изготовлении и надежен в работе.

Изобретение предназначено для измерения объемного расхода газа. Ротаметр содержит цилиндрическую диэлектрическую трубку с размещенным внутри нее поплавком в форме колпачка, расположенного вверх донышком и надетого на конический стержень, основание которого установлено в нижней части диэлектрической трубки, и измерительный конденсатор емкостного преобразователя. Поплавок выполнен из токопроводного материала, а каждая из обкладок измерительного конденсатора, расположенных на наружной поверхности диэлектрической трубки, представляет собой по меньшей мере пару соединенных между собой трапеций. Ротаметр прост в изготовлении, обеспечивает высокую точность и расширение диапазона измерений. 5 ил., 2 табл.

Емкостный ротаметр, содержащий диэлектрическую трубку с размещенным внутри нее поплавком в форме колпачка, расположенного вверх донышком, и измерительный конденсатор емкостного преобразователя с обкладками, расположенными на наружной поверхности диэлектрической трубки, отличающийся тем, что поплавок выполнен из токопроводного материала и надет на конический стержень, основание которого установлено в нижней части диэлектрической трубки, выполненной цилиндрической, а каждая из обкладок измерительного конденсатора представляет собой по меньшей мере пару соединенных между собой трапеций.