СЧЕТЧИК РАСХОДА ГАЗА Российский патент 2004 года по МПК G01F1/24 G01F23/26 

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 счетчика расхода газа с широким диапазоном измеряемых расходов и особенно малых расходов (бытового назначения) наиболее удобно использовать ротаметрические первичные преобразователи, основанные на методе 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 (мгновенного расхода). В [1, с.228-233] описываются две наиболее широко используемые конструкции поплавковых ротаметров: с конической измерительной трубкой и цилиндрической измерительной 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. c.232, рис. 7.16 в], магнитоиндукционный метод [3], система герконов, включаемых постоянным магнитом, встроенным в поплавок [4], или емкостный метод [5].

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является емкостный 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 другие - 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 предлагаемое изобретение, являются: резкое повышение чувствительности датчика расхода, увеличение величины емкости емкостного преобразователя перемещения поплавка и, как следствие, повышение точности измерения расхода газа, а также упрощение конструкции и технологичности поплавкового ротаметра, являющегося датчиком мгновенного расхода газа в рассматриваемом счетчике расхода газа. Эти задачи решаются путем использования поплавкового ротаметра с цилиндрической измерительной трубкой, центральным конусом и поплавком с центральным отверстием, через которое проходит конус, емкостного преобразователя перемещения поплавка и электронной измерительной схемы, причем измерительная трубка, поплавок и центральный конус выполнены из электропроводного материала и являются обкладками емкостного преобразователя перемещения поплавка, поплавок имеет конусную боковую внутреннюю стенку, прилегающую к центральному конусу при нижнем положении поплавка, а емкость, образованная последовательным соединением емкостей между внутренней боковой поверхностью поплавка и конусом и между наружной боковой поверхностью поплавка и цилиндрической измерительной трубкой, включена в задающую RC-цепочку высокочастотного автогенератора, выход которого подключен к последовательному порту микроЭВМ, а выход микроЭВМ соединен с цифровым индикатором.

Устройство поплавкового ротаметра показано на фиг.1 (а), эквивалентная схема емкостного преобразователя перемещения поплавка - на фиг.1 (б), а измерительная схема счетчика расхода газа - на фиг.2. Поплавковый ротаметр состоит из цилиндрической измерительной трубки 1, центрального конуса 2 и поплавка 3 кольцевой формы с конусной боковой внутренней стенкой, прилегающей к центральному конусу 2, при нижнем положении поплавка, причем и цилиндрическая измерительная трубка 1, и центральный конус 2, и поплавок 3 выполнены из электропроводного материала, а для предотвращения электрического замыкания между ними поверхности поплавка покрыты изоляционным слоем, а центральный конус крепится с помощью диэлектрической втулки со сквозными отверстиями для прохода газа.

Измерительная схема (фиг.2) состоит из высокочастотного автогенератора 4, микроЭВМ 5 и цифрового индикатора 6, причем в задающую RC-цепочку высокочастотного автогенератора в качестве емкости включен емкостный преобразователь перемещения поплавка, образованный последовательным соединением емкостей между внутренней стенкой поплавка и центральным конусом и между наружной стенкой поплавка и цилиндрической измерительной трубкой, а выход автогенератора 4 подключен к последовательному (т.е. однобитовому) порту микроЭВМ 5, а ее выход - к цифровому индикатору 6.

Счетчик расхода газа работает следующим образом. Поплавковый ротаметр 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 C_в между внутренней боковой стенкой поплавка 3 и центральным конусом 2 будет уменьшаться за счет увеличения кольцевого зазора между ними. Емкость С_н между наружной боковой стенкой поплавка и цилиндрической измерительной трубкой 1 будет оставаться неизменной, т.к. при перемещении поплавка 3 и величина зазора, и площадь перекрытия электродов этой емкости не меняются. Следовательно, общая емкость между центральным конусом 2 и цилиндрической измерительной трубкой 1 будет представлять собой последовательное соединение двух вышеуказанных емкостей. А поскольку емкость С_в даже при нижнем положении поплавка (когда эта емкость максимальна) много меньше, чем последовательно с ней соединенная емкость С_н (т.к. площадь перекрытия электродов последней емкости существенно больше площади перекрытия электродов первой из них при одинаковых величинах зазора), то изменения общей емкости С_изм между цилиндрической измерительной трубкой 1 и центральным конусом 2 будут определяться изменениями меньшей из последовательно соединенных емкостей, т.е. емкости С_в. Можно показать, что при перемещении поплавка из крайнего нижнего в крайнее верхнее положение изменение этой емкости будет весьма значительным. Считая поле однородным в воздушном зазоре между внутренней боковой стенкой поплавка 3 и центральным конусом 2 и учитывая, что высота поплавка 3 много меньше высоты центрального конуса 2, для прикидочного расчета можно воспользоваться формулой для емкости цилиндрического конденсатора [6, с.45]:

,

где h - высота поплавка;

ε и ε₀ - соответственно относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика, разделяющего обкладки конденсатора, и абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума;

D и d - соответственно диаметры внешнего и внутреннего цилиндров (в нашем случае это диаметры соответственно внутренней боковой стенки поплавка 3 и центрального конуса 2 в среднем сечении поплавка).

Поскольку при перемещении поплавка величины h, D и ε остаются неизменными и меняется только диаметр d сечения центрального конуса 2, соответствующего положению среднего сечения поплавка 3, то для определения относительного изменения этой емкости при крайних положениях поплавка 3 достаточно подсчитать соответствующие отношения этих диаметров.

При крайнем нижнем положении поплавка 3 внутренняя его стенка прилегает к поверхности центрального конуса 2 и их разделяет только изоляционный слой, максимальную толщину которого можно принять равной 0,5 мм (если поплавок изготовить из алюминиевого сплава и для изоляции оксидировать его поверхности, то толщина этого слоя будет еще меньше). Приняв D=20 мм, получим d_н=19 мм и D/d_н=1,0526, a ln(D/d_н)=0,05126.

При крайнем верхнем положении поплавка 3 примем d_в=6 мм и соответственно D/d_в=3,333 и ln(D/d_в)=1,204.

Отношение C_в/С_н составит 23,5.

Реально изменение емкости окажется меньше, т.к. измеряемая емкость С_изм между центральным конусом 2 и цилиндрической измерительной трубкой 1 будет определяться не только емкостями, образованными зазорами между боковыми поверхностями поплавка 3 с данными элементами, но и постоянной распределенной емкостью между цилиндрической измерительной трубкой и центральным конусом за счет полей, замыкающихся выше и ниже поплавка 3 при его произвольном расположении. Приближенно эту емкость можно оценить по той же формуле, задавшись диаметром (внутренним) D_m цилиндрической измерительной трубки 1 и ее высотой Н_m. Если принять D_m=50 мм и Н_m=100 мм, то взяв d, соответствующее среднему сечению центрального конуса 2, равное d=(20+6)/2=13 мм, получим

.

При тех же размерах и высоте поплавка h=10 мм составляющая полезной емкости (через поплавок) между внутренней боковой стенкой поплавка 3 и центральным конусом 2 при нижнем положении поплавка С_вн будет

;

при верхнем положении поплавка

;

а емкость С_н между наружной боковой поверхностью поплавка 3 и цилиндрической измерительной трубкой 1 (она не зависит от положения поплавка) будет

.

Таким образом, при данных размерах ротаметра измеряемая емкость составит при нижнем положении поплавка

,

а при верхнем

.

Следовательно, при крайних положениях поплавка измеряемая емкость будет изменяться в С_изм.н/С_изм.в=2,6 раза.

Как видим, из-за влияния распределенной емкости С₀ полезное изменение измеряемой емкости существенно уменьшается, а функция преобразования емкостного преобразователя перемещения поплавка становится нелинейной (вначале чувствительность высокая, а затем по мере подъема поплавка, когда доля распределенной емкости С₀ в общей измеряемой емкости становится превалирующей, она падает). Для уменьшения нелинейности функции преобразования необходимо увеличивать диаметр цилиндрической измерительной трубки 1 и использовать усеченный центральный конус 2 с тем, чтобы при верхнем положении поплавка 3 величина изменяющейся составляющей емкости С_в была бы сопоставима с величиной распределенной емкости С₀.

В качестве измерительной схемы должна быть использована схема, позволяющая заземлять одну из обкладок измеряемой емкости (цилиндрическую измерительную трубку 1), т.к. в этом случае не понадобится дополнительного экранирования емкостного преобразователя (сама цилиндрическая измерительная трубка 1 будет служить экраном).

Для удобства построения счетчика расхода газа и повышения точности измерений желательно применять измерительную схему с частотным выходом. Такой схемой может служить высокочастотный автогенератор, в задающую RC-цепочку которого включен емкостный преобразователь перемещения поплавка. Частота автогенератора может измеряться программно с помощью микроЭВМ, которая осуществляет преобразование измеренной частоты в текущее значение расхода газа и накопление расхода за любой интервал времени. Такая измерительная схема изображена на фиг.2. На ней емкостный преобразователь перемещения поплавка обозначен как емкость С_изм, включенная в задающую RC-цепочку автогенератора 4, а выход автогенератора 4 подключен к последовательному (однобитовому) порту микроЭВМ 5, выход которой подключен к цифровому индикатору 6. Диапазон измеряемых частот при этом должен выбираться в соответствии с быстродействием используемой микроЭВМ. МикроЭВМ 5 программно измеряет частоту сигнала, поступающего с выхода автогенератора 4, и преобразует ее в значения мгновенного объемного расхода газа по тарировочной характеристике, занесенной в память микроЭВМ 5. Суммируя мгновенные расходы газа через равные интервалы времени (1 с), она определяет суммарный расход газа за любые интервалы времени и индицирует его на цифровом индикаторе 6. Вспомогательные и сервисные функции, выполняемые микроЭВМ, здесь не рассматриваются. Для уменьшения влияния сетевой помехи целесообразно время измерения частоты выбирать кратным периоду промышленной сети (20 мс).

Таким образом, при упрощении конструкции и повышении технологичности изготовления поплавкового ротаметра достигнуты: существенное повышение его чувствительности, увеличение абсолютных значений емкости емкостного преобразователя перемещения поплавка, а значит, и повышение точности измерения расхода газа. 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. - 320 с.

3. А.с. № 595625, СССР. Ротаметр. / Брюханов Б.К., Григоровский Б.К. Завьялов В.Г. Опубл. 28.02.1978, Бюл. № 8.

4. А.с. № 792076, СССР. Ротаметр. / Колмыков С.П., Тарханов О.В. Опубл. 30.12.1980, Бюл. № 48.

5. А.с. № 1682792, СССР. Емкостный ротаметр. / Дубровский М.Г., Зеленин А.Н. Опубл. 07.10.1991, Бюл. № 37.

6. Туричин А.М. Электрические измерения неэлектрических величин. Изд. 4. - М.-Л.: Энергия, 1966. - 690 с.

Изобретение относится к измерительной технике. Счетчик расхода содержит ротаметр с цилиндрической измерительной трубкой, поплавок кольцевой формы, электронную измерительную схему. Через центральное отверстие в поплавке проходит центральный конус, к поверхности которого прилегает конусная боковая внутренняя стенка поплавка при нижнем положении последнего. Трубка, поплавок и конус, выполненные из электропроводного материала, являются обкладками емкостного преобразователя перемещения поплавка и для предотвращения электрического замыкания покрыты изоляционным слоем. Электронная измерительная схема состоит из высокочастотного автогенератора, в задающую RC-цепочку которого в качестве емкости включен емкостный преобразователь перемещения поплавка. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения при одновременном упрощении конструкции. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Счетчик расхода газа, содержащий ротаметр с измерительной трубкой, поплавок, емкостной преобразователь перемещения поплавка и электронную измерительную схему, отличающийся тем, что он снабжен центральным конусом, проходящим через центральное отверстие в поплавке кольцевой формы, конусная боковая внутренняя стенка которого прилегает к поверхности центрального конуса при нижнем положении поплавка, измерительная трубка, выполненная цилиндрической, поплавок и центральный конус выполнены из электропроводного материала и являются обкладками емкостного преобразователя перемещения поплавка, а для предотвращения электрического замыкания между цилиндрической измерительной трубкой, центральным конусом и поплавком их поверхности покрыты изоляционным слоем.2. Счетчик расхода газа по п.1, отличающийся тем, что его электронная измерительная схема состоит из высокочастотного автогенератора, микроЭВМ и цифрового индикатора, причем в задающую RC-цепочку высокочастотного автогенератора в качестве емкости включен емкостной преобразователь перемещения поплавка, образованный последовательным соединением емкостей между внутренней боковой стенкой поплавка и центральным конусом и между наружной боковой стенкой поплавка и цилиндрической измерительной трубкой, а выход автогенератора подключен к последовательному порту микроЭВМ, выход которой подключен к цифровому индикатору.