РАСХОДОМЕР ЖИДКИХ СРЕД В ОТКРЫТЫХ ВОДОЕМАХ Российский патент 2005 года по МПК G01F1/00 

Изобретение относится к измерительной технике по расходомерам, а именно к устройствам измерения объемного расхода жидких сред в открытых водоемах - каналах, ненапорных трубопроводах большого сечения и сточных лотках.

Хорошо известен класс расходомеров ультразвукового типа, основанных на эффекте Доплера и методе бокового сноса узкого звукового луча. При доплеровском методе звуковая волна, распространяясь по или против течения жидкости на заданном “отрезке” трубы, приобретает временной сдвиг, а также фазовый и частотный набеги, которые пропорциональны скорости потока. Из этих данных расчетно определяется расход жидкости. В случае использования второго метода скорость потока находится по величине бокового сноса звукового луча за время поперечного прохождения слоя движущейся жидкости.

К наиболее важным достоинствам ультразвуковых расходомеров относится возможность использования для любых жидкостей, в том числе химически агрессивных. Недостатком данных расходомеров является сложность измерительной системы, что связано, главным образом, с малостью отношения v/c, где v - скорость потока жидкости; с - скорость звука в ней.

Известен также класс электромагнитных (индукционных) расходомеров, работающих на основе использования эффекта магнитогидродинамической индукции электрических сигналов при движении проводящей жидкости в трубопроводе поперек направления магнитного поля. При этом сигнальные электроды располагаются на противоположных концах диаметра. Величина сигнала ЭДС пропорциональна скорости жидкости и, следовательно, ее расходу. Расходомеры данного типа работают как на основе постоянного магнитного поля, так и переменного (в частности импульсного) магнитного поля. Важным положительным качеством расходомеров данного типа является возможность их работы в различных жидких средах, обладающих даже слабой электропроводностью. Однако этим устройствам присущи принципиальные недостатки, а именно возникновение в них химических процессов на электродах, приводящих к поляризации электродов и искажению сигналов. Вместе с тем, при работе в переменных и импульсных магнитных полях возникают всевозможные электромагнитные наводки в электрических цепях измерительного устройства, составляющие трудно устранимые помехи при регистрации сигнала.

Данный недостаток особенно сильно проявляется при работе расходомеров в открытых водоемах, где необходимо независимо и одновременно измерять как скорость потока жидкости, так и ее уровень. В частности, в известном электромагнитном расходомере [ГОС реестр РФ №19388-00], который ниже принимается за прототип в силу технической общности решаемой задачи, уровень жидкости измеряется автономным сенсорным датчиком давления.

Несмотря на ряд положительных качеств такого типа датчика давления - компактность, сравнительная простота устройства и удовлетворительная чувствительность - датчику присущ ряд принципиальных недостатков, ведущих к потере точности работы во время эксплуатации. В частности, это относится к указанным электромагнитным наводкам, а также к необходимости дополнительного учета изменения атмосферного давления и учета загрязнения “сенсорной” поверхности датчика различными осадками, выпадающими из жидкости. Устранение указанных недостатков сводится, как правило, к непрерывному усложнению системы приема и обработки сигналов. Поэтому электромагнитные расходомеры в комплекте с сенсорными датчиками давления сложны в устройстве и эксплуатации.

Целью изобретения является техническое упрощение расходомера по обоим функциональным блокам, т.е. по измерению уровня жидкости и измерению ее скорости, а также повышение надежности работы расходомера и упрощение процесса обслуживания на стадиях эксплуатации, поверки и ремонта.

Поставленная цель достигается тем, что функциональный блок измерения скорости потока жидкости выполнен в форме поворотной лопасти, один конец которой закреплен на оси вращения, а другой конец свободно погружен в жидкость. За счет скорости движения жидкость оказывает динамическое давление на лопасть и поворачивает ее относительно вертикали на угол β. При этом чувствительный элемент - датчик-измерения угла β разработан на основе микросхемы серии типа ADXL фирмы ANALOG DEVICES. Микросхема представляет собой акселерометр, чувствительный к изменению величины ускорения свободного падения (±1 g) при изменении его углового положения ±90° относительно линии горизонта. Датчик закреплен на поверхности лопасти. Причем лопасть выполнена из листового некоррозирующего материала и имеет геометрию типа линейки, по всей длине которой проходит продольный прогиб для придания механической жесткости.

Второй функциональный измерительный блок расходомера - уровнемер - выполнен в виде поплавка сферической формы, скрепленного с рычагом, который свободно поворачивается на оси вращения независимо от положения лопасти. Поворот поплавка на угол α относительно вертикали однозначно связан с уровнем жидкости. Чувствительный элемент - датчик - для измерения угла α выполнен также на основе аналогичной микросхемы типа серии ADXL и закреплен на рычаге.

Благодаря разработке технически простых, но динамически чувствительных функциональных измерительных блоков в виде поворотной лопасти и поплавкового уровнемера, которые созданы на основе микросхем типа серии ADXL, упростилась вся конструкция расходомера.

Реализованные физико-технические решения обеспечили высокую надежность и точность работы устройства, а также снизили сложность эксплуатации расходомера. Вместе с тем расходомер по данному изобретению обладает расширенным динамическим диапазоном измерения расхода жидкости.

Для пояснения работы изобретения на фиг.1 схематично изображен блок уровнемера, а на фиг.2 - блок измерения скорости потока жидкости. На фиг.3 представлен общий вид расходомера в полном “комплекте”, используемого, например, в коллекторе трубопроводов для сточных вод. Здесь приняты следующие обозначения: 1 - сферический поплавок; 2 - рычаг, жестко скрепленный с поплавком 1; 3 - датчик угла α поворота рычага, разработанный на основе микросхемы типа ADXL; 4 - осевое соединение рычага; 5 - электронный блок приема и обработки сигналов; 6 - поворотная лопасть; 7 - датчик угла β поворота лопасти, выполненный на основе микросхемы типа ADXL; 8 - осевое соединение лопасти 6, независимое от осевого соединения рычага 4; h - уровень жидкости; v - скорость потока жидкости в окрестности отрезка АВ, погруженной части лопасти 6.

Расходомер функционирует следующим образом. При изменении уровня жидкости h поплавок 1 поднимается (или опускается) и, соответственно, изменяется угол α наклона рычага 2, вращающегося на оси 4 относительно абсолютной вертикали к земному горизонту. При этом датчик 3 вырабатывает соответствующий электрический сигнал об угле α, который передается в электронный блок 5. Одновременно с изменением уровня жидкости h меняется средняя скорость потока v, что приводит к соответствующему изменению гидродинамического давления жидкости на погруженную часть АВ поворотной лопасти 6. Лопасть 6, находящаяся под действием гидродинамической силы давления, а также гидростатической силы выталкивания и гравитационной силы тяжести, автоматически смещается в результате поворота относительно оси 8 в новое равновесное положение, определяемое углом β. Датчик 7 генерирует электрический сигнал о величине угла β, который передается на приемный электронный блок 5. По найденным значениям углов α и β в электронном блоке 5 расчетно определяется величина эффективного сечения потока и средняя его скорость для каждого момента времени. На основе этой информации в том же блоке 5 расчетно находится объемный расход жидкости по обычному правилу “площадь × скорость”.

Изобретение реализовано в опытном варианте, в котором для поплавка и поворотной лопасти чувствительные элементы измерения - датчики - разработаны с использованием микросхем типа ADXL. При этом поплавок изготовлен в виде тонкой металлической сферы, скрепленной с металлической трубкой, выполняющей роль поворотного рычага. Лопасть изготовлена в форме полуцилиндра из металлической трубки. Поплавок и лопасть погружались в лоток с водой, имевшей заданную скорость течения.

Электрические сигналы с чувствительных элементов обрабатывались на ЭВМ по соответствующей программе.

Опыты подтвердили высокую надежность работы расходомера, простоту его эксплуатации и высокую точность измерения объема расхода жидкости в пределах скорости потока 0,1-2 м/с. Данный вариант осуществления изобретения в виде опытного образца не исключает иных вариантов устройства в пределах формулы изобретения.

Таким образом, изобретение в техническом и функциональном отношении значительно упрощено относительно прототипа; оно приобрело также новые качества - большую надежность в работе, простоту эксплуатации, а также расширенный динамический диапазон точного измерения потока жидкости в открытых водоемах.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам измерения объемного расхода жидкости в открытых водоемах-каналах, ненапорных трубопроводах большого сечения и сточных лотках. Решает задачу непрерывного определения объема расхода жидкости в широком диапазоне изменения ее скорости. Согласно заявленному изобретению объемный расход определяется непрерывно с учетом уровня жидкости и средней скорости ее течения. Уровень измеряется с помощью поворотного рычажного поплавка сферической формы, погружаемого в жидкость на глубину меньше радиуса сферы. Скорость течения измеряется с помощью поворотной лопасти, один конец которой сопряжен с осью вертикального поворота, а другой конец свободно погружен в жидкость. Чувствительный элемент измерения угла поворота поплавка выполнен на основе микросхемы типа серии ADXL и закреплен на рычаге поплавка. Чувствительный элемент измерения угла поворота лопасти выполнен на основе второй аналогичной микросхемы типа серии ADXL и закреплен на поверхности лопасти. Технический результат: повышение функциональных возможностей устройства. 3 ил.

Расходомер жидких сред в открытых водоемах, содержащий блок измерения уровня жидкости и блок измерения средней скорости потока жидкости, а также электронный блок приема и обработки сигналов, отличающийся тем, что блок измерения уровня жидкости выполнен в виде поворотного рычага с поплавком сферической формы, погруженной в жидкость на глубину меньше величины радиуса сферы, причем чувствительный элемент измерения угла вертикального перемещения поплавка изготовлен на основе микросхемы типа серии ADXL и закреплен на рычаге, при этом блок измерения скорости потока жидкости выполнен в форме поворотной лопасти, конец которой сопряжен с осью вертикального поворота, а другой конец свободно погружен в жидкость, в свою очередь, чувствительный элемент измерения угла поворота лопасти выполнен на основе второй аналогичной микросхемы типа серии ADXL и закреплен на лопасти.