ВИХРЕВОЙ РАСХОДОМЕР (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2003 года по МПК G01F1/32 

Изобретение относится к области измерения расхода жидкости с использованием динамической характеристики потока текучей среды и, в частности, вихрей Кармана.

Известен вихревой расходомер, содержащий корпус с циркуляционным каналом для текучей среды, размещенное в циркуляционном канале тело обтекания, измерительный преобразователь электрического сигнала и узел съема электрического сигнала с двумя электродами, один из которых является сенсорным элементом, установленным с возможностью электрического влияния на уровень электрического сигнала под действием турбулентности текучей среды в области вихреобразования, создаваемой телом обтекания (RU 2010164, G 01 F 1/32, 1994 г.).

Основным недостатком известного вихревого расходомера является низкая резонансная частота сенсорного элемента, что ограничивает величину верхнего предела диапазона измерений.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является вихревой расходомер, содержащий корпус с циркуляционным каналом для текучей среды, размещенное в циркуляционном канале тело обтекания, измерительный преобразователь электрического сигнала и узел съема электрического сигнала с двумя электродами, электорододержателем и сенсорным элементом, установленным с возможностью изменения положения относительно электродов и электрического воздействия на электроды под действием турбулентности текучей среды в области вихреобразования, создаваемой телом обтекания (US 4716770, G 01 F 1/32, 1988 г.).

Недостатком указанного технического решения является сложность конструкции, низкая чувствительность из-за большой массы и жесткости сенсорного элемента, выполненного из металла.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание расходомера, обеспечивающего измерение с высокими технико-экономическими показателями.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения согласно каждому варианту, заключается в упрощении конструкции и повышении помехоустойчивости в различных условиях эксплуатации.

По первому варианту указанный технический результат достигается вихревым расходомером, содержащим корпус с циркуляционным каналом для текучей среды, размещенные в циркуляционном канале тело обтекания и узел съема электрического сигнала с двумя электродами, электорододержателем и сенсорным элементом, установленным с возможностью изменения положения относительно электродов и изменения электрического сигнала на электродах под действием турбулентности текучей среды в области вихреобразования, создаваемой телом обтекания, и измерительный преобразователь электрического сигнала, отличающийся тем, что сенсорный элемент выполнен в виде упругодеформируемой оболочки из диэлектрического материала, закрепленной на поверхности электрододержателя с образованием полости, заполненной электропроводящей жидкостью.

А также за счет того, что тело обтекания выполнено с камерой и двумя каналами, сообщающими камеру с различными зонами области вихреобразования в циркуляционном канале, при этом электрододержатель и сенсорный элемент расположены в упомянутой камере.

А также за счет того, что электрододержатель и сенсорный элемент установлены в циркуляционном канале в области вихреобразования, расположенной за телом обтекания в направлении по ходу потока текучей среды.

По второму варианту указанный технический результат достигается вихревым расходомером, содержащим корпус с циркуляционным каналом для текучей среды, размещенные в циркуляционном канале тело обтекания и узел съема электрического сигнала с двумя электродами, электорододержателем одного из электродов и сенсорным элементом, установленным с возможностью изменения электрического сигнала на электродах под действием турбулентности текучей среды в области вихреобразования, создаваемой телом обтекания, и измерительный преобразователь электрического сигнала, отличающийся тем, что сенсорный элемент выполнен в виде цилиндрического кольца из материала с электропроводностью неравной электропроводности текучей среды, установленного на электрододержателе с возможностью смещения относительно него, при этом другой электрод размещен на корпусе вне зоны вихреобразования.

А также за счет того, что тело обтекания выполнено с камерой и двумя каналами, сообщающими камеру с различными зонами области вихреобразования в циркуляционном канале, при этом электрододержатель и сенсорный элемент расположены в упомянутой камере.

А также за счет того, что электрододержатель и сенсорный элемент установлены в циркуляционном канале в области вихреобразования, расположенной за телом обтекания в направлении по ходу потока текучей среды.

А также за счет того, что цилиндрическое кольцо выполнено из материала с плотностью, близкой плотности текучей среды.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где
на фиг.1 показан продольный разрез устройства по первому варианту с сенсорным элементом в виде оболочки и с электрододержателем в камере круглого сечения в теле обтекания;
на фиг.2 - продольный разрез устройства по первому варианту с сенсорным элементом в виде оболочки и с электрододержателем в камере прямоугольного сечения в теле обтекания;
на фиг.3 - сечение А - А фиг.1;
на фиг.4 - продольный разрез устройства по второму варианту с сенсорным элементом в виде цилиндрического кольца и с электрододержателем в камере круглого сечения в теле обтекания;
на фиг.5 - продольный разрез устройства по второму варианту с сенсорным элементом в виде цилиндрического кольца и с электрододержателем в камере прямоугольного сечения в теле обтекания;
на фиг.6 - сечение Б - Б фиг.4;
на фиг.7 - электрическая схема измерительного преобразователя электрического сигнала;
на фиг.8 - фрагмент вида фиг.3 с деформированной оболочкой, замкнутой на поверхности электрододержателя обоими концами;
на фиг.9 - сечение В - В фиг.8;
на фиг. 10 - фрагмент вида фиг.3 (вариант) с деформированной оболочкой, замкнутой на поверхности электрододержателя с одного конца;
на фиг. 11 - фрагмент вида фиг.6 со смещенным цилиндрическим кольцом в сторону сближения с электродом;
на фиг. 12 - фрагмент вида фиг.6 со смещенным цилиндрическим кольцом в сторону удаления от электрода;
на фиг.13 - продольный разрез устройства по первому варианту с сенсорным элементом в виде оболочки и с электрододержателем в зоне вихреобразования за телом обтекания;
на фиг.14 - сечение Г - Г фиг.13;
на фиг.15 - продольный разрез устройства по второму варианту с сенсорным элементом в виде цилиндрического кольца и с электрододержателем в зоне вихреобразования за телом обтекания;
на фиг.16 - сечение Д - Д фиг.13.

Вихревой расходомер содержит корпус 1 с циркуляционным каналом 2 для текучей среды. В канале циркуляционном 2 размещено тело 3 обтекания, которое может быть выполнено с камерой 4 и двумя каналами 5 и 6, сообщающими камеру 4 с разными зонами области вихреобразования в циркуляционном канале, возникающими под действием турбулентности текучей среды, а именно справа и слева относительно тела 3 обтекания.

Камера 4 в теле 3 обтекания может иметь круглое сечение (фиг.1 и 4) или прямоугольное сечение (фиг.2 и 5).

В камере 4 (фиг.3 и 6) или вне ее (фиг.13 и 15) в циркуляционном канале 2 в зоне вихреобразования, расположенной за телом 3 обтекания в направлении по ходу потока текучей среды, расположены электрододержатель 7 либо с двумя электродами 8 и 9 (первый вариант на фиг.3), либо с одним электродом 10 (второй вариант на фиг.6). В первом варианте на электрододержателе закреплен сенсорный элемент, выполненный в виде упругодеформируемой с возможностью изменения формы поперечного сечения и замкнутой на поверхности электрододержателя 7 оболочки 11. При этом оболочка выполнена из диэлектрического материала, либо имеет дно и замкнута на поверхности электрододержателя 7 с одного конца (фиг. 10), либо замкнута обоими концами (фиг.8), а образованная таким образом полость 12 оболочки 11 заполнена электропроводящей жидкостью.

Во втором варианте на электрододержателе 7 закреплен сенсорный элемент, выполненный в виде цилиндрического кольца 13, установленного на электрододержателе 7 с возможностью смещения в диаметральной плоскости и в продольном направлении относительно электрододержателя 7 между ограничителями 14 и 15 в пределах зоны, ограниченной обеспечением контакта с электродом 10 на электрододержателе 7, при этом другой электрод 16 размещен на корпусе 1 с электроконтактным выводом (на чертеже не показан) в циркуляционный канал 2 вне зоны вихреобразования (фиг.6).

Цилиндрическое кольцо 13 выполнено из материала с электропроводностью неравной электропроводности текучей среды и с плотностью, близкой плотности текучей среды либо, по меньшей мере, близкой ей по значению.

Электрододержатель 7 с двумя электродами 8 и 9 (в первом варианте) или с одним электродом 10 и другим электродом 16 на корпусе 1 (во втором варианте), а также сенсорный элемент, выполненный в виде оболочки 11 (в первом варианте) или в виде цилиндрического кольца 13 (во втором варианте), образуют узел съема электрического сигнала. Электрический сигнал возникает как следствие электрического воздействия сенсорного элемента на электроды под действием турбулентности текучей среды в области вихреобразования, создаваемой телом 3 обтекания. Съем электрического сигнала обусловлен гальваническим соединением электродов 8 и 9 (в первом варианте) или 10 и 16 (во втором варианте) с измерительным преобразователем электрического сигнала, состоящим из генератора 17 переменного напряжения, резистора 18, амплитудного детектора 19, усилителя 20 и триггера 21. Причем один из электродов подключен к входному выводу генератора 17 через резистор 18 и непосредственно к входу амплитудного детектора 19, а другой соединен с общей точкой генератора 17, усилителя 20 и триггера 21, вход которого связан с выходом усилителя 20, имеющего вход с выхода амплитудного детектора 19. Собственно электроды и, в частности, их электроконтактная часть могут быть изготовлены, например, в виде обособленных пластин или участков поверхности с гальваническим покрытием, например, на корпусе или электрододержателе из не проводящих электричество материалов.

Вихревой расходомер работает следующим образом.

При обтекании потоком текучей среды тела 3 обтекания в циркуляционном канале 2 возникает турбуленция с образованием вихрей Кармана, приводящих к знакопеременным пульсациям давления в зоне вихреобразования, которые согласно критерию Струхаля пропорциональны скорости потока измеряемой среды. Пульсации давления через каналы 5 и 6 или непосредственно в области вихреобразования (варианты на фиг.13 и 15) воздействуют на сенсорный элемент, заставляя его совершать колебательные движения относительно электрододержателя 7. В варианте с сенсорным элементом в виде оболочки 11 деформация последней приводит к изменению электрического сопротивления участка электропроводящей жидкости между электродами 8 и 9 в полости оболочки. В варианте с сенсорным элементом в виде цилиндрического кольца 13 сближение кольца с электродом или удаление его поверхности от электрода 10 приводит к аналогичному эффекту за счет изменения проводимости прилегающей к электроду 10 зоны в условиях эксплуатации с электропроводящей текучей средой.

При включении генератора 17 вследствие упомянутых колебаний электрического сопротивления между электродами изменяется коэффициент передачи делителя напряжения, образованного резистором 18 и сопротивлением электропроводящей среды (или жидкости) между электродами, что приводит к периодическому изменению амплитуды переменного напряжения на входах амплитудного детектора 19. Такой модулированный по амплитуде сигнал соответствует частоте колебаний сенсорного элемента (оболочки 11 или цилиндрического кольца 13). С выхода амплитудного детектора 19 выделенный модулированный сигнал через усилитель 20 поступает на триггер 21, откуда уже в форме прямоугольных импульсов напряжения считывается вычислительной системой (на чертеже не показана) и представляется средством отображения как скорость или расход текучей среды.

Таким образом, упомянутое техническое решение может быть реализовано для условий как с электропроводящими средами, так и со средами, не проводящими электричество. Кроме того, возможность исполнения элементов из различных конструкционных материалов обеспечивает требуемую надежность и точность измерений.

Изобретение относится к измерению расхода с использованием вихрей Кармана. Расходомер содержит измерительный преобразователь электрического сигнала, корпус с циркуляционным каналом для текучей среды, в котором размещены тело обтекания и узел съема электрического сигнала с сенсорным элементом, двумя электродами и электрододержателем обоих электродов либо одного из них. Сенсорный элемент выполнен либо в виде упругодеформируемой оболочки из диэлектрического материала, закрепленной на поверхности электрододержателя с образованием полости, заполненной электропроводящей жидкостью, либо в виде кольца из материала с электропроводностью, не равной электропроводности текучей среды, установленного на электрододержателе с возможностью смещения относительно него. В этом варианте второй электрод размещен на корпусе вне зоны вихреобразования. Электрододержатель и сенеорный элемент расположены либо за телом обтекания, либо в выполненной в нем камере, сообщенной с различными зонами области вихреобразования. Расходомер имеет простую конструкцию и повышенную помехоустойчивость в условиях эксплуатации как в электропроводящей среде, так и в среде, не проводящей электричество. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 16 ил.

1. Вихревой расходомер, одержащий корпус с циркуляционным каналом для текучей среды, размещенные в циркуляционном канале тело обтекания и узел съема электрического сигнала с двумя электродами, электорододержателем и сенсорным элементом, установленным с возможностью изменения положения относительно электродов и изменения электрического сигнала на электродах под действием турбулентности текучей среды в области вихреобразования, создаваемой телом обтекания, и измерительный преобразователь электрического сигнала, отличающийся тем, что сенсорный элемент выполнен в виде упругодеформируемой оболочки из диэлектрического материала, закрепленной на поверхности электрододержателя с образованием полости, заполненной электропроводящей жидкостью.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что тело обтекания выполнено с камерой и двумя каналами, сообщающими камеру с различными зонами области вихреобразования в циркуляционном канале, при этом электрододержатель и сенсорный элемент расположены в упомянутой камере.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электрододержатель и сенсорный элемент установлены в циркуляционном канале в области вихреобразования, расположенной за телом обтекания в направлении по ходу потока текучей среды.4. Вихревой расходомер, содержащий корпус с циркуляционным каналом для текучей среды, размещенные в циркуляционном канале тело обтекания и узел съема электрического сигнала с двумя электродами, электорододержателем одного из электродов и сенсорным элементом, установленным с возможностью изменения электрического сигнала на электродах под действием турбулентности текучей среды в области вихреобразования, создаваемой телом обтекания, и измерительный преобразователь электрического сигнала, отличающийся тем, что сенсорный элемент выполнен в виде цилиндрического кольца из материала с электропроводностью, неравной электропроводности текучей среды, установленного на электрододержателе с возможностью смещения относительно него, при этом другой электрод размещен на корпусе вне зоны вихреобразования.5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что тело обтекания выполнено с камерой и двумя каналами, сообщающими камеру с различными зонами области вихреобразования в циркуляционном канале, при этом электрододержатель и сенсорный элемент расположены в упомянутой камере.6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что электрододержатель и сенсорный элемент установлены в циркуляционном канале в области вихреобразования, расположенной за телом обтекания в направлении по ходу потока текучей среды.7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что цилиндрическое кольцо выполнено из материала с плотностью, близкой плотности текучей среды.