ДАТЧИК РАСХОДА ГАЗА Российский патент 2004 года по МПК G01F1/22 

Предлагаемое 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 частности, известны датчики расхода жидких и газообразных сред на основе измерения перепада давления в специальном сужающем устройстве (диафрагма, труба Вентури и др.), 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 (бытового назначения) 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 измерительной трубкой и цилиндрической измерительной трубкой и коаксиально размещенным в ней конусом. Для преобразования положения поплавка в электрический сигнал могут 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 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 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. Причем большим расходам газа будет соответствовать минимальная чувствительность емкостного преобразователя, а значит, и минимальная точность измерения расхода газа. Кроме того, при столь малых измеряемых емкостях обязательно необходимо экранировать всю конструкцию первичного преобразователя, для чего конический цилиндр с обкладками емкостного преобразователя должен помещаться в проводящую трубу, которая должна быть заземлена. При этом между обкладками емкостного преобразователя и экраном (проводящей трубой) будет иметь место паразитная распределенная емкость, не зависящая от положения поплавка, а по величине намного превосходящая измеряемую емкость между обкладками емкостного преобразователя. Эта паразитная емкость, складываясь с измеряемыми емкостями, приведет к еще большему снижению чувствительности всего преобразователя. Этот последний недостаток является принципиальным для любых конструкций ротаметра с емкостным преобразователем, если поплавок перемещается в полости измерительной трубки между обкладками емкостного преобразователя, размещаемыми на поверхности этой трубки, поскольку в этих случаях обязательно должно осуществляться экранирование всего преобразователя, т.к. без экранирования параметры преобразователя окажутся невоспроизводимыми. 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 уменьшение влияния паразитных емкостей на функцию преобразования емкостного преобразователя, вследствие чего достигается существенное повышение точности измерения расхода газа, а также упрощение конструкции и технологичности датчика.

Указанные задачи решаются путем использования поплавкового ротаметра с цилиндрической диэлектрической измерительной трубкой, заглушенной снизу, на боковой поверхности которой расположены две пары обкладок дифференциального емкостного преобразователя вертикального перемещения поплавка, которая помещена коаксиально в цилиндрический металлический корпус, являющийся общей обкладкой дифференциального измерительного преобразователя. Поплавок выполнен из электропроводного материала, имеет кольцевую форму, корытообразное сечение и может свободно вертикально перемещаться в кольцевом зазоре между измерительной диэлектрической трубкой и цилиндрическим корпусом, а обкладки емкостного дифференциального преобразователя имеют форму двух пар равнобедренных треугольников, расположенных на поверхности измерительной цилиндрической трубки вершинами навстречу друг другу так, что боковые стороны смежных обкладок параллельны, а одинаково направленные обкладки электрически попарно соединены между собой. На диаметрально противоположных боковых сторонах измерительной трубки между обкладками сделаны продольные сквозные прорези, частично открываемые поплавком при его подъеме, а измеряемые емкости образованы обкладками и прилегающей к ним внутренней боковой поверхностью поплавка.

Конструкция поплавкового ротаметра с емкостным преобразователем показана на фиг.1, а форма обкладок (развертка) емкостного преобразователя и его эквивалентная схема - на фиг.2.

Датчик расхода газа состоит из цилиндрического металлического корпуса 1, внутри которого коаксиально расположена цилиндрическая измерительная трубка 2 из диэлектрического материала, заглушенная снизу, на поверхности которой размещены две пары электропроводных обкладок 3 и 4 дифференциального емкостного преобразователя, имеющие вид направленных вершинами навстречу друг другу равнобедренных треугольников, развертка которых показана на фиг.2, причем между продольных сторон обкладок на диаметрально противоположных сторонах цилиндрической измерительной трубки 2 имеются сквозные прорези 5 (на фиг.1 показана одна из них). В кольцевом зазоре между цилиндрическим металлическим корпусом 1 и цилиндрической измерительной трубкой 2 с возможностью свободного вертикального перемещения расположен поплавок 6, выполненный из электропроводного материала, имеющий кольцевую форму и корытообразное сечение, а снизу кольцевой зазор между цилиндрическим корпусом 1 и цилиндрической измерительной трубкой 2 перекрывается предохранительной сеткой 7, на которую опирается поплавок в крайнем нижнем положении. Внутренняя поверхность цилиндрического металлического корпуса 1, поверхности обкладок емкостного дифференциального преобразователя на цилиндрической измерительной трубке 2 и наружная поверхность поплавка 6 покрыты изоляционным слоем, предохраняющим от возможности электрического замыкания между цилиндрическим металлическим корпусом 1, поплавком 6 и обкладками 3 и 4 емкостного дифференциального преобразователя перемещения поплавка. На фиг.2 показаны развертка обкладок емкостного дифференциального преобразователя и его эквивалентная схема. Измеряемые емкости, образованные обкладками 3 и 4 и прилегающей к ним внутренней боковой поверхностью поплавка, обозначены на ней как С1 и С2, а постоянная емкость между наружной боковой поверхностью поплавка и цилиндрическим металлическим корпусом 1 - как С3.

Датчик расхода газа работает следующим образом. Он 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 6 одинаково и поплавок 6 под собственным весом опускается в крайнее нижнее положение. При наличии расхода газа давление сверху поплавка 6 падает и под напором газового потока снизу он поднимается на такую высоту, на которой напор газа снизу уравновешивается весом поплавка 6 и уменьшившимся давлением газа сверху поплавка 6. Давление над поплавком 6 уменьшается пропорционально расходу газа, который через сквозные прорези 5 в цилиндрической измерительной трубке 2 перетекает из пространства между цилиндрическим металлическим корпусом 1 и цилиндрической измерительной трубкой 2 во внутреннюю полость цилиндрической измерительной трубки 2, причем площадь открывающихся прорезей 5 в боковой поверхности цилиндрической измерительной трубки 2 пропорциональна высоте подъема поплавка 6. При подъеме поплавка 6 емкость С1 между парой электрически соединенных обкладок, направленных вершинами вверх, и прилегающей к ним внутренней боковой поверхностью поплавка 6 будет уменьшаться, тогда как емкость С3 между цилиндрическим металлическим корпусом 1 и прилегающей к нему наружной боковой поверхностью поплавка 6 будет оставаться неизменной, а емкость С2 между парой обкладок, направленных вершинами вниз, и внутренней боковой поверхностью поплавка 6 будет увеличиваться.

Емкости С1 и С2 через постоянную общую емкость С3 подключаются к дифференциальной измерительной схеме, например мостовой схеме, изображенной на фиг.3. На этой схеме емкости емкостного дифференциального преобразователя ротаметра обозначены как C1, C2 и С3. Он включается в мостовую схему, образованную емкостями C1 и C2 емкостного дифференциального преобразователя и конденсаторами С4 и С5, один из которых является подстроечным и служит для начального уравновешивания моста. Напряжение разбаланса мостовой схемы, возникающее при подъеме поплавка, измеряется электронным милливольтметром.

Можно показать, что отношение емкостей С1/С2 при крайних положениях поплавка (верхнем и нижнем) будет изменяться более чем в 300 раз, тогда как в прототипе оно 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 обкладками и соответствующими участками боковой поверхности поплавка, что вполне допустимо ввиду малости зазора, на фиг.2 эти участки заштрихованы) и используя обозначения, показанные на фиг.2, легко подсчитать величину емкости между боковой поверхностью поплавка и противолежащим ей участком одной из обкладок при крайних положениях поплавка 6. 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 6 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 внутренней боковой поверхности поплавка 6 с соответствующими участками одной из обкладок, расположенных на поверхности цилиндрической измерительной трубки 2.

При произвольном положении поплавка 6 (высота его подъема обозначена как X) эти площади имеют форму равнобедренной трапеции высотой h, соответствующей высоте боковой внутренней поверхности поплавка 6. Эта площадь равна

S=h(b₁+b₂)/2, (2)

где b₁ и b₂ - нижнее и верхнее основания трапеции.

Их можно вычислить по формулам

b₁=В(1-Х/Н); (3)

b₂=В[Н-(X+h)]/H. (4)

При крайнем нижнем положении поплавка для обкладок, вершины которых направлены вверх, нижнее основание трапеции равно В, а верхнее основание - В(Н-h)/H, а значит, площадь перекрытия будет

S_max=hB(2-h/H)/2. (5)

Для тех же обкладок при крайнем верхнем положении поплавка 6 площадь перекрытия будет определяться площадью равнобедренного треугольника высотой h и основанием В h/Н

S_min=h В h/2H=В h²/2H. (6)

Для противоположно направленных обкладок все будет наоборот, т.е. нижнему положению поплавка 6 будет соответствовать минимальная площадь перекрытия, а верхнему - максимальная. Поэтому изменение каждой из емкостей С1 и С2 при перемещении поплавка 6 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 6 из крайнего нижнего положения в крайнее верхнее составит

Пусть h=0,1 H, 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 поплавка 6), а величина зазора при его перемещении остается неизменной. Это существенно облегчает измерение этих емкостей. Конечно, проделанный анализ является приближенным (не учтены криволинейность обкладок - они расположены на наружной поверхности цилиндрической измерительной трубки 2 - и поля рассеяния на их краях, а также паразитные емкости между обкладками и цилиндрическим металлическим корпусом 1 за счет полей, замыкающихся через воздух - выше и ниже поплавка 6). Кроме того, при подключении первичного преобразователя к измерительной схеме к этим паразитным емкостям добавятся паразитные емкости монтажа, что безусловно во много раз снизит чувствительность по сравнению с расчетной (на фиг.2 суммарные паразитные емкости самого преобразователя и монтажа обозначены как С_n). При размещении обкладок 3 и 4 емкостного преобразователя на наружной поверхности измерительной трубки 2 зазор между ними и поплавком можно сделать очень малым (не более 0,5 мм), а зазор между измерительной трубкой 2 и корпусом 1 - в десятки раз большим (15-20 мм), благодаря чему полезные емкости С1 и С2 будут во много раз больше паразитных емкостей преобразователя, а для уменьшения монтажных паразитных емкостей измерительную схему необходимо располагать в непосредственной близости от ротаметра. Линеаризации функции преобразования емкостного преобразователя способствует и его дифференциальная конструкция (поскольку, когда полезная емкость одной пары обкладок становится меньше суммарной паразитной емкости, что приводит к уменьшению чувствительности этой пары пластин к перемещению поплавка 6, чувствительность второй пары, напротив, близка к максимальной).

Таким образом, при упрощении конструкции ротаметра (фактически он состоит из двух труб, одной металлической, а другой диэлектрической, вложенных одна в другую, в кольцевом пространстве между которыми перемещается штампованный из листового алюминия кольцевой поплавок) достигнуто многократное повышение чувствительности датчика, увеличены абсолютные значения полезных емкостей дифференциального емкостного преобразователя перемещения поплавка, за счет чего существенно уменьшены влияния суммарных паразитных распределенных емкостей преобразователя и монтажа, резко снижающих его чувствительность. 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. Емкостной ротаметр/Дубровский М.Г., Зеленин А.Н. Опубл. 7.10.1991, Бюл. №37.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения объемного расхода газа. Датчик расхода газа состоит из поплавка и цилиндрической диэлектрической измерительной трубки, на боковой поверхности которой расположены две пары обкладок емкостного дифференциального преобразователя вертикального перемещения поплавка. Цилиндрическая измерительная трубка заглушена снизу и помещена коаксиально в цилиндрический металлический корпус, являющийся общей обкладкой дифференциального преобразователя. Поплавок выполнен из электропроводного материала, имеет кольцевую форму, корытообразное сечение и может свободно вертикально перемещаться в кольцевом зазоре между измерительной трубкой и цилиндрическим корпусом. Обкладки емкостного дифференциального преобразователя имеют форму двух пар равнобедренных треугольников, расположенных на поверхности измерительной трубки вершинами навстречу друг другу. Боковые стороны смежных обкладок параллельны, а одинаково направленные обкладки электрически попарно соединены между собой. На диаметрально противоположных боковых сторонах измерительной трубки между обкладками сделаны продольные сквозные прорези, открываемые поплавком при его подъеме. Поверхности цилиндрического металлического корпуса, обкладок емкостного дифференциального преобразователя и поплавка покрыты электроизоляционным слоем. Технический результат состоит в повышении чувствительности датчика, точности измерения расхода газа, упрощении конструкции и технологичности датчика. 3 ил.

Датчик расхода газа, состоящий из поплавка и цилиндрической измерительной трубки, выполненной из диэлектрического материала, на боковой поверхности которой расположены две пары обкладок емкостного дифференциального преобразователя вертикального перемещения поплавка, отличающийся тем, что цилиндрическая измерительная трубка заглушена снизу и помещена коаксиально в цилиндрический металлический корпус, являющийся общей обкладкой емкостного дифференциального преобразователя, поплавок выполнен из электропроводного материала, имеет кольцевую форму, корытообразное сечение и может свободно вертикально перемещаться в кольцевом зазоре между цилиндрической измерительной трубкой и цилиндрическим металлическим корпусом, а обкладки емкостного дифференциального преобразователя имеют форму двух пар равнобедренных треугольников, расположенных на поверхности цилиндрической измерительной трубки вершинами навстречу друг другу так, что боковые стороны смежных обкладок параллельны, а одинаково направленные обкладки электрически попарно соединены между собой, причем на диаметрально противоположных боковых сторонах цилиндрической измерительной трубки между обкладками сделаны продольные сквозные прорези, открываемые поплавком при его подъеме, а измеряемые емкости образованы обкладками и прилегающей к ним внутренней боковой поверхностью поплавка, причем поверхности цилиндрического металлического корпуса, обкладок дифференциального емкостного преобразователя и поплавка покрыты электроизоляционным слоем.