УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ ЖИДКОСТЕЙ Российский патент 2004 года по МПК G01F1/58 G01F1/64 

Предлагаемое устройство относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения расхода электропроводящих жидкостей с применением трибоэлектрического эффекта и электромагнитного явления.

Известны устройства для измерения расхода электропроводящих жидкостей, основанные на использовании трибоэлектрического эффекта и электромагнитного явления (авт. свид. СССР №№172073, 224826, 470702, 605093, 800650, 815505, 866413, 979860, 1190074, 1290074, 1328675, 1569555, 1668869, 1753281, 1739203, 1830135; патенты РФ №№2017067, 2032713, 2190190; патенты США №№3693439, 3729995, 4210022, 4417479, 4339958, 4590806, 4704907; патенты Великобритании №№1165398, 2166550; патент Японии №56-54565; Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. - Л.: Машиностроение, 1989; Никитин В.И. Современные проблемы измерения малых расходов жидкости и газа. Измерительная техника, 1986, №2 и другие).

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является “Устройство для измерения расхода электропроводящих жидкостей” (патент РФ №2190190, G 01 F 1/58, 2000), которое и выбрано в качестве прототипа.

Указанное устройство выполнено в виде участка трубы, размещенного между полюсными наконечниками, где у краев одного из полюсных наконечников расположена первая пара магнитодиодов, а у краев другого - вторая пара магнитодиодов аналогично первой, симметрично участку трубы. Магнитодиоды расположены так, что при отсутствии движения контролируемой жидкости они пронизываются магнитным полем одинаковой индуктивности, а при движении жидкости - поле в местах их расположения меняется в наибольшей степени.

Магнитодиоды включены таким образом, что пары магнитодиодов находятся в смежных плечах, к одной из диагоналей моста подключен блок питания, а ко второй диагонали - последовательно включенные усилитель и регистрирующий прибор. При этом измерительный участок трубопровода выполняется из полимерного материала с высокой трибоэлектрической способностью и внутренним переменным сечением, имеющим форму последовательно соединенных сужающихся и расширяющихся конусов, и снабжается металлическим заземлением.

Недостатком данного устройства является недостаточная степень поляризации жидкости, протекающей через измерительный участок трубопровода и, как следствие, сравнительно низкие точность и чувствительность к малым расходам жидкости. Это объясняется тем, что при ламинарном течении жидкости некоторые внутренние слои не соприкасаются с внутренними стенками трубопровода.

Технической задачей изобретения является повышение точности и чувствительности к малым расходам жидкости путем увеличения ее турбулентности на измерительном участке трубопровода.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для измерения расхода электропроводящих жидкостей с постоянным полем возбуждения, основанном на измерении степени искажения основного магнитного поля потоком контролируемой жидкости, содержащем участок трубы, размещенный между двумя полюсными наконечниками магнитной системы, две пары магниточувствительных элементов, расположенных симметрично у краев первого и второго полюсных наконечников и включенных в четыре смежных плеча уравновешенного четырехплечного моста, блок питания моста и регистрирующий прибор, при этом измерительный участок трубы, размещенный между двумя полюсными наконечниками магнитной системы, выполнен из полимерного материала с высокой трибоэлектрической способностью и внутренним переменным сечением, имеющим форму последовательно соединенных сужающихся и расширяющихся конусов, и снабжен заземленными металлическими кольцами, введен турболизатор, размещенный внутри измерительного участка трубопровода, выполненный в виде металлического стержня и установленный по спирали с шагом t, определяемым из соотношения t/D=0,5-0,7, и отношением диаметра d стержня спирали к наружному диаметру трубы d/D=0,05-0,07, где D - наружный диаметр трубы, с возможностью закручивания движущейся жидкости по винтообразной траектории.

На фиг.1 приведена схема размещения магниточувствительных элементов (магнитодиодов) у краев полюсных наконечников электромагнита; фиг.2 - принципиальная схема включения магнитодиодов: на фиг.3 - разрез измерительного участка трубы, размещенный между двумя полюсными наконечниками магнитной системы.

Устройство выполнено в виде участка трубы 1, размещенного между полюсными наконечниками 2 и 3, где у их краев расположены две пары магнитодиодов 4 и 5, 6 и 7, симметрично участку трубы. Магнитодиоды расположены так, что при отсутствии движения контролируемой жидкости они пронизываются магнитным полем одинаковой индуктивности, а при движении жидкости - поле в местах их расположения меняется в наибольшей степени.

Магнитодиоды включены в плечи четырехплечевого моста таким образом, что пары магнитодиодов 4, 5 и 6, 7 находятся в смежных плечах, к одной из диагоналей моста подключен блок 8 питания, а ко второй диагонали - последовательно включенные усилитель 9 и регистрирующий прибор 10.

Измерительный участок 11 трубы 1, размещенный между двумя полюсными наконечниками магнитной системы, выполнен из полимерного материала с высокой трибоэлектрической способностью и внутренним переменным сечением, имеющим форму последовательно соединенных сужающихся и расширяющихся конусов, и снабжен заземленными металлическими кольцами 12 и турболизатором 13, размещенным внутри измерительного участка 11.

Принцип работы устройства основан на использовании трибоэлектрического эффекта, электромагнитного явления и явления закручивания жидкости, движущейся по трубопроводу.

Трибоэлектрический эффект заключается в том, что при трении жидкости о внутреннюю поверхность измерительного участка трубы, выполненного из полимерного материала с высокой трибоэлектрической способностью и внутренним переменным сечением, имеющим форму последовательно соединенных сужающихся и расширяющихся конусов, протекающая жидкость заряжается отрицательно, а измерительный участок - положительно. Однако образующиеся положительные заряды нейтрализуют некоторые отрицательные заряды жидкости в соответствии с законом Кулона, что значительно снижает степень поляризации движущейся жидкости. Для нейтрализации положительных зарядов измерительный участок трубы снабжен заземленными металлическими кольцами.

Следовательно, движущаяся жидкость представляет собой систему движущихся отрицательных зарядов и является током (конвективным), вокруг которого возникает магнитное поле. Данное магнитное поле, взаимодействуя с постоянным магнитным полем возбуждения, искажает его. Степень искажения пропорциональна скорости (расходу) контролируемой жидкости. В этом проявляется электромагнитное явление.

Для повышения степени турбулентности и поляризации движущейся жидкости на измерительном участке трубопровода изменяется направление движущейся жидкости и закручивается по винтообразной траектории. За счет возникающей турбулентности почти все внутренние слои движущейся жидкости соприкасаются с внутренней поверхностью измерительного участка трубы, что значительно повышает степень поляризации движущейся жидкости. В этом проявляется явление закручивания движущейся жидкости.

Устройство работает следующим образом.

При отсутствии магнитного поля (электромагнит отключен) величины сопротивления магнитодиодов равны между собой (P₄=P₅=Р₆=Р₇), а при наличии магнитного поля (электромагнит включен) и отсутствии жидкости в трубопроводе величины сопротивления магнитодиодов изменяются на ±Р, где знаки ± зависят от напряженности магнитного поля, т.е. от расположения магнитодиодов по отношению к разноименным полюсным наконечникам. Тогда новые значения сопротивления магнитодиодов попарно равны между собой (Р₄=Р₅, Р₆=Р₇), и хотя величины сопротивления одной пары не равны величинам сопротивления другой пары (P₄=Р₅)≠ (P₆=Р₇), в обоих случаях мост, который состоит из четырех одинаковых магнитодиодов, уравновешен.

При наличии потока жидкости в трубопроводе движущаяся жидкость со скоростью V создает разность потенциалов вследствие трибоэлектрического эффекта. При этом движущаяся жидкость заряжается отрицательно, а на внутренней поверхности трубопровода образуются положительные заряды. Степень поляризации значительно возрастает на измерительном участке 11 трубы 1 за счет двух факторов. Первый фактор обусловлен тем, что измерительный участок 11 выполнен из полимерного материала и с внутренним переменным сечением, имеющим форму последовательно соединенных сужающихся и расширяющихся конусов. В качестве такого материала может быть использован политетрафтороэтилен, нейлон и другие полимеры.

Второй фактор обусловлен тем, что внутри измерительного участка 11 трубопровода 1 установлен турболизатор 13, который обеспечивает закручивание движущейся жидкости по винтообразной траектории. При этом турбулизатор 13 выполнен в виде металлического стержня и установлен по спирали с шагом t, определяемым из соотношения:

t/D=0,5-0,7,

и отношением диаметра d стержня спирали к наружному диаметру трубы:

d/D=0,05-0,07,

где d - наружный диаметр трубы, с возможностью закручивания движущейся жидкости по винтообразной траектории.

Это повышает степень турбулентности и поляризации движущейся жидкости, что объясняется тем, что почти все внутренние слои жидкости начинают соприкасаться с внутренней поверхностью измерительного участка 11.

Однако образующиеся положительные заряды измерительного участка 11 нейтрализуют некоторые отрицательные заряды жидкости в соответствии с законом Кулона, что значительно снижает степень поляризации движущейся жидкости. Для нейтрализации положительных зарядов измерительный участок 11 трубы 1 снабжен заземленными металлическими кольцами 12. Заряды положительного знака внутренней поверхности измерительного участка 11 трубы 1 “стекают” сначала на металлические кольца 12, а затем на землю.

Движущая жидкость представляет собой систему движущихся отрицательных зарядов и является током (конвективным), вокруг которого возникает магнитное поле. Это поле, взаимодействуя с постоянным магнитным полем возбуждения, искажает его. Последнее обстоятельство приводит к изменению сопротивления магнитодиодов в зависимости от расхода контролируемой жидкости и температуры внешней среды или потока жидкости, мост разбалансируется.

Так как при наличии расхода жидкости магнитодиоды 4 и 6, включенные в верхние плечи моста, находятся в идентичных магнитных условиях, а магнитодиоды 5 и 7, включенные в нижние плечи моста, находятся в других идентичных магнитных условиях, то их температурные коэффициенты, соответственно, также будут равны, а следовательно, их чувствительность к изменению температуры одинакова. Следовательно, погрешность от влияния температуры среды или потока электропроводящей жидкости компенсируются.

Изменение сопротивления магнитодиодов зависит только от расхода контролируемой жидкости. У магнитодиодов первой пары сопротивление одного магнитодиода увеличивается, а другого - уменьшается, во второй паре - наоборот, что приводит к неравенству величин сопротивлений (Р₄≠_{P5≠P6≠Р7) магнитодиодов с соответствующим увеличением чувствительности. Сигнал в виде напряжения разбаланса с выхода моста, определяемый изменением сопротивления магнитодиодов, однозначно зависит от расхода жидкости, усиливается усилителем 9 и подается на регистрирующий прибор 10.}

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение точности и чувствительности к малым расходам жидкости. Это достигается за счет установки внутри измерительного участка спирали, которая закручивает движущуюся жидкость и создает ей большую турбулентность и поляризацию.

Устройство содержит измерительный участок трубы, размещенный между двумя полюсными наконечниками магнитной системы, симметрично у краев которых расположены две пары магнитодиодов, включенных в смежные плечи четырехплечевого моста, и регистрирующий прибор. Внутри выполненного из полимерного материала и снабженного металлическим заземлением измерительного участка, имеющего форму последовательно соединенных сужающихся и расширяющихся конусов, размещен турбулизатор в виде металлической спирали для закручивания движущейся жидкости по винтовой траектории. Изобретение имеет повышенную чувствительность к малым расходам за счет увеличения поляризации жидкости. 3 ил.

Устройство для измерения расхода электропроводящих жидкостей с постоянным полем возбуждения, основанное на измерении степени искажения основного магнитного поля потоком контролируемой жидкости, содержащее участок трубы, размещенный между двумя полюсными наконечниками магнитной системы, две пары магниточувствительных элементов, расположенных симметрично у краев первого и второго полюсных наконечников и включенных в четыре смежных плеча уравновешенного четырехплечного моста, блок питания моста и регистрирующий прибор, при этом измерительный участок трубы, размещенный между двумя полюсными наконечниками магнитной системы, выполнен из полимерного материала с высокой трибоэлектрической способностью и внутренним переменным сечением, имеющим форму последовательно соединенных сужающихся и расширяющихся конусов, и снабжен заземленными металлическими кольцами, отличающееся тем, что в него введен турбулизатор, размещенный внутри измерительного участка трубы, выполненный в виде металлического стержня и установленный по спирали с шагом t, определяемым из соотношения t/D=0,5 – 0,7, и отношением диаметра d стержня спирали к наружному диаметру трубы d/D=0,05-0,07, где D - наружный диаметр трубы, с возможностью закручивания движущейся жидкости по винтообразной траектории.