ДАТЧИК ВИХРЕВОГО РАСХОДОМЕРА-СЧЁТЧИКА ЖИДКОСТИ Российский патент 2005 года по МПК G01F1/32 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к вихревым расходомерам-счетчикам потоков жидкостей с ионной проводимостью (воды, растворов солей, щелочей, кислот, пищевых жидкостей и т.п.), и может быть использовано в водоснабжении, теплоснабжении, энергетике, химической, пищевой и др. отраслях промышленности.

Вихревые расходомеры-счетчики обычно содержат встраиваемый в трубопровод датчик, создающий последовательность турбулентных вихрей и преобразующий их в последовательность биполярных импульсов, и электронный блок, преобразующий последовательность биполярных импульсов в поток жидкости, т.е. в величину, характеризуемую количеством литров жидкости, протекающих в единицу времени.

Уже известен датчик вихревого расходомера-счетчика, включающий в себя измерительный участок трубопровода, во внутреннем пространстве которого установлены тело обтекания (турбулизатор потока) и чувствительный элемент в виде двух электроизолированных электродов, и средство для создания постоянного магнитного поля во внутреннем пространстве этого трубопровода. При этом геометрическая ось тела обтекания размещена в осевой плоскости измерительного участка трубопровода перпендикулярно продольной его оси (авторское свидетельство СССР № 798486, МКИ G 01 F 1/32, опубл. 23.01.1981). Тело обтекания этого датчика содержит поперечный сквозной канал. Средство для создания магнитного поля в измерительном участке трубопровода размещено в поперечном сквозном канале тела обтекания и выполнено в виде магнитной системы, содержащей два постоянных магнита, установленных по обе стороны сквозного канала разноименными полюсами друг к другу. Чувствительный элемент выполнен в виде двух электродов, размещенных на противоположных стенках сквозного канала вдоль линии, совпадающей с осью измерительного участка трубопровода.

Недостатком этого датчика является относительная сложность конструкции, обусловленная необходимостью футеровки сквозного канала, неудобством размещения электродов и средств, обеспечивающих вывод сигнала. При использовании данного устройства для измерений загрязненных потоков возникает также проблема, связанная с высаждением в сквозном канале ферромагнитных частиц, переносимых с потоком и захватываемых магнитной системой датчика, что также снижает чувствительность и уровень выходного сигнала.

Частично эти недостатки устранены в датчике вихревого расходомера-счетчика жидкости, включающем в себя измерительный участок трубопровода, во внутреннем пространстве которого установлены тело обтекания и чувствительный элемент в виде двух электроизолированных электродов, по крайней мере один из которых является стержневым, и средство для создания постоянного магнитного поля во внутреннем пространстве этого трубопровода, причем геометрические оси тела обтекания и стержневого электрода размещены в осевой плоскости измерительного участка трубопровода перпендикулярно его продольной оси (патент РФ № 2142614, МКИ G 01 F 1/32, опубл. 10.12.1999). Средство для создания магнитного поля в измерительном участке трубопровода в данном датчике выполнено в виде магнитной системы, создающей магнитное поле, преимущественно параллельное продольной оси тела обтекания, и содержащей постоянный стержневой магнит с двумя полюсными наконечниками. При этом длина электроконтактной части стержневого электрода не превышает расстояния между полюсными наконечниками магнитной системы.

Однако и данный датчик не обеспечивает существенного повышения уровня выходного сигнала и улучшения его качества из-за кратковременности взаимодействия знакопеременных турбулентных вихрей и однородного магнитного поля, имеющего очень узкую зону, ограниченную длиной магнитных наконечников. Наряду с полезными сигналами датчик, как правило, формирует также и “шумовые” сигналы (продольный градиент и дрейф электрохимического потенциала, ионизация электродов, токи утечки, токи Фуко, вихревые и блуждающие токи, гальванические токи и др.). Кроме того, этот датчик достаточно сложен в изготовлении из-за трудоемкой конструкции тела обтекания, в которую вмонтирован постоянный магнит и два магнитных наконечника.

Целью настоящего изобретения является создание более простого датчика, обеспечивающего повышенный уровень выходного сигнала и снижение уровня помех в его выходном спектре.

Настоящая цель достигается тем, что в известный датчик вихревого расходомера-счетчика жидкости (включающий в себя измерительный участок металлического трубопровода и средство для создания постоянного магнитного поля во внутреннем пространстве этого трубопровода, а также установленные во внутреннем пространстве измерительного участка трубопровода тело обтекания и чувствительный элемент в виде двух электроизолированных электродов, по крайней мере один из которых выполнен в виде протяженного тела, например, цилиндрического стержня, причем геометрические оси тела обтекания и стержневого электрода размещены в осевых плоскостях измерительного участка трубопровода перпендикулярно продольной его оси) средство для создания магнитного поля в измерительном участке внутритрубного пространства выполнено в виде плоского постоянного магнита, который установлен так, что направление его полярности совпадет с геометрической осью стержневого электрода, жестко и герметично укрепленного в теле трубопровода, а длина электроконтактной части стержневого электрода не превышает диаметр трубопровода на этом участке.

Плоский магнит предпочтительно имеет форму диска, диаметр d которого выбирается из соотношений d:D=7:10 (где D - внутренний диаметр трубопровода) и d:h=7:6 (где h - высота диска), и располагается вне трубопровода, а трубопровод выполнен из немагнитного металла.

Геометрические оси тела обтекания и стержневого электрода при этом должны быть параллельны.

Кроме того, в датчик могут быть введены и жестко прикреплены к торцам измерительного участка трубопровода два металлических фланца, которые выполнены из металла, имеющего более высокую электрическую проводимость, чем металл трубопровода, и соединены гальванически друг с другом через заземляющий контур.

Датчик такой конструкции достаточно прост, т.к. тело обтекания имеет простую и технологичную форму, а средство для создания магнитного поля содержит только одну деталь - плоский постоянный магнит. Тороидальное магнитное поле плоского магнита обеспечивает высокую амплитуду выходного сигнала, так как радиальные скорости в дорожке Кармана более эффективно преобразуются в напряжение за счет неоднородности и разнонаправленности магнитных силовых линий.

Т.к. металл, из которого выполнены измерительный участок трубопровода и фланцы, экранирует внутренние элементы датчика от внешнего электромагнитного поля, а заземленные фланцы концентрируют на себе большую часть физико-химических процессов, вызывающих изменение электрохимического потенциала, то продольный градиент электрохимического потенциала трубопровода, токи утечки, проходящие через измеряемую жидкость и трубопровод, токи Фуко, вихревые или блуждающие токи, наводимые внешним электромагнитным полем в измеряемой жидкости и в трубопроводе, на всем протяжении измерительного участка равны или близки к нулю, а дрейф электрохимического потенциала трубопровода и гальванические токи трубопровода на всем протяжении измерительного участка существенно снижаются.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 изображен предпочтительный вариант датчика вихревого расходомера-счетчика в продольном осевом разрезе, на фиг.2 - вид того же датчика по стрелке Д, а на фиг.3 - вариант датчика с фланцами и со схематическим отображением магнитного поля в измерительном участке трубопровода.

Как показано на фиг.1, датчик вихревого электромагнитного расходомера-счетчика жидкости включает в себя измерительный участок трубопровода 1 и средство для создания постоянного магнитного поля внутри этого трубопровода. Внутри измерительного участка трубопровода 1 установлены тело обтекания 2 (турбулизатор) и чувствительный элемент в виде двух электроизолированных электродов - активного стержневого 3 и пассивного электрода, функции которого выполняет трубопровод 1 из немагнитного материала, например, из нержавеющей стали, с электрическим контактом 4. Геометрические оси А-А тела обтекания 2 и Б-Б стержневого электрода 3 перпендикулярны продольной оси В-В измерительного участка трубопровода 1. Как показано на фиг.2, они размещены в одной продольной осевой плоскости Г-Г измерительного участка трубопровода 1, хотя это требование и не является обязательным. Тело обтекания 2 и стержневой электрод 3 укреплены в трубопроводе 1 жестко: тело обтекания 2 - с помощью сварного соединения 5, а стержневой электрод 3 - с помощью резьбовой втулки 6. Резьбовая втулка 6 выполнена из электроизоляционного материала и надежно изолирует электрод 3 от пассивного электрода - трубопровода 1 с электрическим контактом 4, а также обеспечивает герметичность внутритрубного пространства от внешней среды. Разумеется, активный электрод 3 может иметь форму не только стержня, но и любого подобного протяженного тела, у которого длина превосходит поперечные размеры (например, пластины). Форма же пассивного электрода в данном случае не существенна и может быть любой известной. Средство для создания постоянного магнитного поля в измерительном участке трубопровода 1 выполнено в виде дискового постоянного магнита 7. Естественно, форма диска является предпочтительной, хотя этот магнит может иметь и прямоугольную, и эллипсную и др. формы. Дисковый магнит 7 для повышения технологичности конструкции датчика установлен вне трубопровода 1, а именно: жестко прикреплен к его наружной поверхности с помощью обоймы 8 и сориентирован (фиг.3) так, что направление его полярности N-S совпадает с осью Б-Б стержневого электрода 3, т.е. перпендикулярно продольной оси В-В измерительного участка трубопровода 1. При этом длина той части активного электрода 3, которая находится во внутритрубном пространстве, превышает радиус измерительного участка трубопровода 1, но, естественно, меньше его внутреннего диаметра D. Диаметр d дискового магнита и его высота (толщина) h выбираются из соотношений d:D=7:10 и d:h=7:6. Данные соотношения являются оптимальными, однако на практике приходится учитывать стандартную номенклатуру типоразмеров серийно производимых дисковых магнитов и подбирать из них те, которые лишь приближенно удовлетворяют этим соотношениям. Как показано на фиг.3, измерительный участок трубопровода 1 может быть соединен своими торцами с фланцами 9 и 10, выполненными из обычной конструкционной стали, т.е. из материала, имеющего большую химическую активность и электрическую проводимость, чем нержавеющая сталь, из которой выполнен трубопровод 1. Фланцы 9 и 10 соединены с заземляющим контуром 11, выполненным из электропроводящего материала и соединенным с цепью нулевого потенциала 12 (“землей”).

Датчик работает следующим образом. Поток жидкости с ионной проводимостью при прохождении через измерительный участок трубопровода 1 движется вдоль его продольной оси В-В и взаимодействует с телом обтекания 2, жестко укрепленным во внутритрубном пространстве по диаметральной оси А-А трубопровода 1 с помощью сварного соединения 5. Перепад давления и изменение диаграммы распределения скоростей жидкости внутри измерительного участка трубопровода 1 в зоне размещения тела обтекания 2 являются причиной образования т.н. вихревой дорожки Кармана, т.е. последовательности турбулентных вихрей, имеющих противоположные направления вращения слева и справа от тела обтекания 2, распространяющихся в осевой плоскости, перпендикулярной плоскости Г-Г. Торообразное магнитное поле, создаваемое дисковым постоянным магнитом 7, прижатым с помощью обоймы 8 к наружной поверхности трубопровода 1, под различными углами (фиг.3) пронизывает жидкость на всем протяжении измерительного участка трубопровода 1. Благодаря этому данное магнитное поле эффективно поляризует молекулы турбулентных вихрей жидкости, проходящих по обе стороны стержневого электрода 3, геометрическая ось которого Б-Б совмещена с направлением полярности дискового магнита 7, и слабо поляризует вихри, образующиеся в нижней части тела обтекания 2, т.к. в этой зоне часть длины магнитных силовых линий апроксимируется участками ломаной, параллельными вектору скорости слоев жидкости и, следовательно, э.д.с. индукции в этих зонах не возникает. Поляризованные диполи жидкости индуцируют между стержневым электродом 3 и трубопроводом 1 знакопеременные электрические потенциалы. Это обеспечивает съем биполярных сигналов в виде разности потенциалов с пары электроизолированных резьбовой втулкой 6 электродов 3 и 4. Выходной сигнал, поступающий на электронный блок обработки (на чертежах не показан), определяется распределением напряженностей электрического поля в измерительном участке трубопровода и электромагнитными помехами: разностью электрохимических потенциалов между трубопроводом 1 и стержневым электродом 3, суммарным сигналом различных помех, таких, как продольный градиент и дрейф электрохимического потенциала, ионизация электродов, токи утечки, вихревые или блуждающие токи, гальванические токи, токи Фуко и др. Благодаря фланцам 9 и 10, соединенным между собой заземляющим контуром 11, большая часть электромагнитных помех шунтируется по всей длине измерительного участка и с помощью цепи нулевого потенциала 12 отводится на “землю”. Погрешность измерения, обеспечиваемая датчиком такой конструкции, находится в пределах ±0,1%, т.е. на порядок выше известных аналогов.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к вихревым расходомерам-счетчикам потоков жидкостей с ионной проводимостью. Заявлен датчик вихревого расходомера-счетчика жидкости. Датчик включает измерительный участок металлического трубопровода и средство для создания постоянного магнитного поля во внутреннем пространстве этого трубопровода. Во внутреннем пространстве измерительного участка трубопровода установлено тело обтекания и чувствительный элемент в виде двух электроизолированных электродов. Средство для создания магнитного поля в измерительном участке внутритрубного пространства выполнено в виде плоского постоянного магнита, который установлен так, что направление его полярности совпадет с геометрической осью стержневого электрода, жестко и герметично укрепленного в теле трубопровода, а длина электроконтактной части стержневого электрода не превышает диаметр трубопровода на этом участке. Технический результат: повышение функциональных возможностей устройства. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Датчик вихревого расходомера-счетчика жидкости, включающий в себя измерительный участок металлического трубопровода и средство для создания постоянного магнитного поля во внутреннем пространстве этого трубопровода, а также установленные во внутреннем пространстве измерительного участка трубопровода тело обтекания и чувствительный элемент в виде двух электроизолированных электродов, по крайней мере один из которых выполнен в виде протяженного тела, например цилиндрического стержня, причем геометрические оси тела обтекания и стержневого электрода размещены в осевых плоскостях измерительного участка трубопровода перпендикулярно продольной его оси, отличающийся тем, что средство для создания магнитного поля в измерительном участке внутритрубного пространства выполнено в виде плоского постоянного магнита, который установлен так, что направление его полярности совпадет с геометрической осью стержневого электрода, жестко и герметично укрепленного в теле трубопровода, а длина электроконтактной части стержневого электрода не превышает диаметр трубопровода на этом участке.2. Датчик вихревого расходомера-счетчика жидкости по п.1, отличающийся тем, что плоский магнит имеет форму диска.3. Датчик вихревого расходомера-счетчика жидкости по п.2, отличающийся тем, что диаметр d дискового магнита выбирается из соотношений d:D=7:10 (где D – внутренний диаметр трубопровода) и d:h=7:6 (где h – высота диска).4. Датчик вихревого расходомера-счетчика жидкости по п.2, отличающийся тем, что дисковый магнит расположен вне трубопровода, а трубопровод выполнен из немагнитного металла.5. Датчик вихревого расходомера-счетчика жидкости по п.1, отличающийся тем, что геометрические оси тела обтекания и стержневого электрода параллельны.6. Датчик вихревого расходомера-счетчика жидкости по п.1, отличающийся тем, что в датчик введены и жестко прикреплены к торцам измерительного участка трубопровода два металлических фланца, которые выполнены из металла, имеющего более высокую электрическую проводимость, чем металл трубопровода, и соединены гальванически друг с другом через заземляющий контур.