УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОБЪЕМНОГО РАСХОДА ТОПЛИВА Российский патент 2006 года по МПК G01F9/00 

Изобретение относится к устройствам для измерения объемного расхода топлива при испытаниях жидкотопливных двигателей внутреннего сгорания и позволяет упростить конструкцию и повысить точность измерения в широком диапазоне изменения контролируемого объемного расхода.

Известно устройство для измерения расхода топлива при испытаниях двигателя внутреннего сгорания (1), содержащее испытуемый двигатель, топливный бак, трубопровод с электромагнитным клапаном /ЭМК/, вспомогательную емкость, стрелочные весы с датчиками количества топлива и датчиком предельного количества топлива, срабатывающими при их перекрытии стрелкой весов, а также блок управления, блок вычисления расхода /процессор/, регистратор /индикатор/ количества топлива.

Прототип обеспечивает измерение весового расхода топлива, а объемный расход может быть определен после расчета через удельный вес топлива, который в свою очередь зависит от состава топлива и температуры, что не позволяет обеспечить высокую точность измерения объемного расхода топлива. Кроме того, известное устройство имеет сложную конструкцию, содержащую управляемый противовес и стрелочные весы, что снижает надежность его работы и обуславливает узкий диапазон измеряемого расхода.

Целью изобретения является упрощение конструкции и повышение точности измерения в широком диапазоне контролируемого объемного расхода топлива. Для достижения цели вспомогательная емкость устройства выполнена в виде не менее чем 2-ступенчатой пирамиды с возрастающим сверху вниз сечением ступеней, на верхнем торце каждой из ступеней размещен датчик количества топлива в виде датчика раздела жидкой и газообразной сред /ДРС/, на нижнем торце нижней ступени вспомогательной емкости размещен датчик предельного количества топлива. Кроме того, подключенный к трубопроводу основной ЭМК выполнен трехпозиционным с двумя управляющими обмотками и приводом. Первым входом основной ЭМК подключен к нижней части трубопровода, вторым входом-выходом основной ЭМК подключен к входному коллектору дополнительного ЭМК, а выходом основной ЭМК подключен к впускному патрубку испытуемого двигателя. Управляющие обмотки основного ЭМК через соответствующие ключи подключены к выходам процессора, а обмотки управления дополнительного ЭМК через соответствующие ключи и схемы запрета подключены к выходам датчиков количества топлива.

Структура устройства для варианта трехступенчатой вспомогательной емкости и трехразрядного дополнительного ЭМК приведена на Фиг.1, временные диаграммы его работы изображены на Фиг.2 и Фиг.3.

Устройство содержит топливный бак 1, трубопровод 2 с патрубком «с», трехпозиционный ЭМК 3 с каналами «в», «г», «д», «к» и ротором 4 с каналами «а» и «м». Вспомогательная емкость 5 выполнена в виде 3-ступенчатой пирамиды со ступенями 6, 7, 8, антивыбросным конусом 9, штуцером 10 и чувствительными элементами 11...14 датчиков 15...18 раздела сред /ДРС/. Вспомогательная емкость 5 подключена к каналу «д» /второму входу - первому выходу основного ЭМК 3/ через трехразрядный дополнительный ЭМК 19, содержащий сопла 20, 21 и 22, перекрываемые якорями 23, 24 и 25, управляемыми от электромагнитов 26, 27 и 28 дополнительного ЭМК 19.

В показанном на Фиг.1 положении ротора 4 основного ЭМК обеспечивается подача топлива в испытуемый двигатель 29 из трубопровода 2 через патрубок «с», каналы «в», «а», «г» основного ЭМК 3 и входной патрубок 30 испытуемого двигателя. Одновременно происходит наполнение топливом вспомогательной емкости 5 через дополнительный ЭМК 19 и каналы «к», «м», «д» основного ЭМК 3. При повороте ротора 4 на 90 угловых градусов относительно положения, показанного на Фиг.1, подача топлива из трубопровода 2 перекрыта, а в испытуемый двигатель 29 топливо подается из вспомогательной емкости 5 через дополнительный ЭМК 19, каналы «д», «м» или «а» /в зависимости от направления вращения ротора 4/, канал «г» основного ЭМК 3 и входной патрубок 30 испытуемого двигателя. При повороте ротора 4 на 45 угловых градусов относительно положения, показанного на Фиг, 1 подача топлива через основной ЭМК 5 перекрыта - устройство находится в режиме ожидания. Требуемое положение ротора 4 задается с помощью электромагнитов 31 и 32 шагового двигателя, соединенного с ротором 4 напрямую или через редуктор /на Фиг.1 не показаны/. Управляющие сигналы U7 и U8 на электромагниты 31 и 32 подаются с выходов процессора 33, который формирует управляющие сигналы, производит обработку сигналов U1...U4, U6, выполняет расчет объемного расхода топлива и выдачу результатов на регистратор /индикатор/ 34.

Сигнал U6=1 формируется RS-триггером 35 по сигналу U1=1 /наполнение вспомогательной емкости завершено/ и прекращается по сигналу U5=1 со схемы ИЛИ 36 /U4=1 "вспомогательная емкость 5 пуста" ИЛИ Uп=1 "начать наполнение вспомогательной емкости"/. Управление электромагнитами 26...28 обеспечивается сигналами U9...U12, формируемыми схемой ИЛИ 37 и элементами запрета 38, 39 и 40. Схема ИЛИ 37 необходима для беспрепятственной подачи топлива из вспомогательной емкости 5 в испытуемый двигатель в режиме измерения через сопло 25 с максимальным проходным сечением.

В зависимости от положения ротора 4 основного ЭМК 3 и сигналов управления Uп и Uo в устройстве Фиг.1 возможны четыре состояния.

ОЖИДАНИЕ. Ротор 4 ЭМК 3 находится в положении поворота на 45 угловых градусов относительно его положения, изображенного на Фиг.1. Подача топлива в испытуемый двигатель и во вспомогательную емкость 5 через ЭМК 3 не осуществляется независимо от состояния остальных элементов устройства Фиг.1.

Режим СТОП. Инициируется программно или с клавиатуры процессора 33 /на Фиг.1 не показана/. Ротор 4 находится в положении, изображенном на Фиг.1. Подача топлива в испытуемый двигатель 29 обеспечивается из трубопровода 2 через патрубок «с», каналы «в», «а», «г» основного ЭМК 3 и входной патрубок 30. Сигнал U6=0 на выходе RS-триггера 35 и управляющий сигнал U0=0 с выхода процессора 33 запрещают формирование единичных сигналов U9...U12, как следствие сопла 20...22 перекрыты якорями 23...25, трубопровод 2, вспомогательная емкость 5 и испытуемый двигатель 29 разобщены, при любом уровне топлива во вспомогательной емкости 5 его подача и процессы наполнения /опорожнения/ емкости 5 и процесс измерения заблокированы.

Режим НАПОЛНЕНИЕ. Инициируется управляющим сигналом U0=1 из процессора 33 при положении ротора 4 ЭМК 3, изображенном на Фиг.1. В зависимости от фактического уровня наполнения вспомогательной емкости 5 топливом в устройстве автоматически формируется комбинация сигналов U9...U12, обеспечивающая наполнение топливом до верхнего торца ступени 8 вспомогательной емкости 5 с адаптивной скоростью, задаваемой сечением сопел 20...22 в зависимости от комбинации сигналов U1...U4. Когда сигнал U1 переходит в единичное состояние /вспомогательная емкость 5 полностью заполнена топливом/, на выходе RS-триггера 35 формируется сигнал U6=1 - начинается режим измерения.

Режим ИЗМЕРЕНИЕ. В этом режиме сигналами U7 и U8 с помощью электромагнитов 31 и 32 ротор 4 ЭМК 3 поворачивается на 90 угловых градусов относительно положения, изображенного на Фиг.1. Сигналами U6=1 и U10=1 с помощью электромангнита 28 обеспечено открытие сопла 25 для беспрепятственной подачи топлива из вспомогательной емкости 5 в испытуемый двигатель 29. По мере расхода топлива из вспомогательной емкости 5 происходит последовательное формирование интервалов времени *t1, *t2 и *t3 /см Фиг.2/ по прохождению уровня раздела сред через ступени 6, 7 и 8 емкости 5.

Процессор 33 производит отсчет интервалов времени *t1, *t2 и *t3, рассчитывает фактические значения объемного расхода топлива и выводит результаты расчета на регистратор /индикатор/ 34. Величину объемного расхода можно рассчитать по известным значениям интервалов *t1, *t2 и *t3, равным времени опорожнения ступеней 6, 7 и 8 соответственно, значениям h6, h7 и h8 высоты и значениям сечений S6, S7 и S8 ступеней 6, 7 и 8 соответственно:

P1=3,6×h8×S8/*t1 (л/час), Р2=3,6×h7×S7/*t2 (л/час),

Р3=3,6×h6×S6/*t3 (л/час), где P1, P2, Р3 - значения объемного расхода топлива, рассчитанные по результатам контроля интервалов *t1, *t2 и *t3 соответственно.

Например, при h6=h7=h8=3 см, S8=1 кв. см, S7=20 кв. см, S6=400 кв. см, *t1=*t2=*t3=(3...60)сек получим:

Р1=(0,18...3,6)л/час, P2=(3,6...72)л/час, Р3=(72...1440)л/час.

Выбором параметров устройства в пределах:

h=(1...20) см, S=(0.01...1000) кв. см, *t=(3...300) сек можно обеспечить измерение объемного расхода в пределах от 0,024 л/час при испытаниях миниатюрных двигателей до 24 тысяч литров в час при испытаниях ракетных силовых установок космических кораблей

Повторный переход устройства в режим наполнения вспомогательной емкости 5 происходит или по полному опорожнению вспомогательной емкости /сигнал U4=0/, или по управляющему сигналу Uп=1, задаваемому программно или с клавиатуры из процессора 33 или от другого источника сигнала /пусковой кнопки, например/. Фактически сигнал Uп=1 выполняет роль переключателя диапазона измеряемого объемного расхода топлива.

Введение в устройство дополнительного ЭМК 19 и элементов 35...40 для управления его работой и исполнение вспомогательной емкости 5 в виде 2-5-ступенчатой пирамиды позволяют повысить точность измерения объемного расхода топлива и сократить время наполнения вспомогательной емкости 5. Пропускную способность каждого разряда дополнительного ЭМК 19 /скорость объемного наполнения Vст соответствующей ступени вспомогательной емкости 5/ выбирают не более Vст<0,2 Рмакс, где Рмакс - максимальное значение расхода топлива, контролируемое соответствующей ступенью вспомогательной емкости 5. При этом обеспечивается плавный переход уровня раздела сред «жидкость-газ» к соответствующему ДРС и исключается выброс излишков топлива в конус 9 в режиме наполнения емкости 5.

Работа устройства в режиме наполнения иллюстрируется временной диаграммой Фиг.3. В процессе наполнения емкости 5 обеспечивается три значения скорости натекания:

- максимальная при U10=1,

- средняя при U11=1, U10=0,

- минимальная при U12= 1, U11=0, U10=0.

В момент срабатывания ДРС 15 формируется сигнал U1=1 - устройство переходит в режим измерения - сопла 23 и 24 дополнительного ЭМК 19 перекрыты, а сопло 25 остается открытым высоким уровнем сигнала U6 с выхода RS - триггера 35 через элементы 37 и 28 на весь цикл измерения. В этом же состоянии дополнительный ЭМК 19 находится в начале цикла наполнения до момента достижения уровнем топлива чувствительного элемента 13 ДРС 17 /момент t2 на Фиг.3/. С момента t2 до момента t3 открыто сопло 24 через элементы 39 и 27, сопло 25 перекрыто/сигнал U3=1/ - скорость наполнения средняя. С момента t3 до момента t4 открыто сопло 23 через элементы 40 и 26, сопла 24 и 25 перекрыты / сигналы U3 и U2 запрещают формирование единичных сигналов U9 и U11 элементами 38 и 39/ - скорость наполнения вспомогательной емкости 5 минимальна. По заполнению верхней ступени 11 емкости 5 сигнал U1 = 1, RS - триггер 35 формирует сигнал U6=1, устройство переходит в режим измерения объемного расхода топлива.

В качестве дополнительного ЭМК 19 можно использовать цифровой ЭМК, аналогичный известному (2). Основной ЭМК 3 реализуется на основе шагового двигателя с редуктором или без него, в котором роль управляющих обмоток выполняют электромагниты 31 и 32, а выходной вал редуктора или шагового двигателя соединен с ротором 4 основного ЭМК 3. Сигналы управления U7 и U8, формируемые процессором 33, в этом случае должны быть числоимпульсными.

Число ступеней и вспомогательной емкости 5 и число разрядов дополнительного ЭМК 19 выбирают в пределах от 2х до 5ти в зависимости от диапазона изменения контролируемого объема и требуемой точности измерения. С увеличением числа ступеней диапазон и точность измерения растут.

По сравнению с прототипом (1) предложенное устройство имеет следующие преимущества:

- имеет более простую и надежную конструкцию с минимумом механических узлов;

- обеспечивает цифровой отсчет объемного расхода топлива в широком диапазоне его изменений путем измерения интервалов времени опорожнения ступеней вспомогательной емкости 5.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Авторское свид. СССР №1597572, Б.И. №37, 1990 г. Устройство для измерения расхода топлива при ипытаниях ДВС.

2. Авторское свид. СССР №1335926, Б.И. №33. 1987 г. Цифровой регулятор.

Изобретение может быть использовано при стендовых испытаниях жидкотопливных ДВС. Топливный бак устройства соединен трубопроводом через основной трехпозиционный электромагнитный клапан (ЭМК) с испытуемым двигателем. Объемный расход определяется по времени опорожнения не менее чем двухступенчатой вспомогательной емкости, на каждой ступени которой размещен датчик количества топлива. Процессы измерения и наполнения чередуются, причем скорость наполнения вспомогательной емкости автоматически регулируется с помощью дополнительного не менее чем двухступенчатого ЭМК с обмотками управления ступенями. Входной коллектор и соединенный с дном вспомогательной емкости выходной коллектор дополнительного ЭМК соединены соплами по числу ступеней. Основной ЭМК снабжен приводом и двумя управляющими обмотками, через ключи подключенными к выходам процессора. Обмотки управления дополнительного ЭМК через ключи и схемы запрета подключены к выходам датчиков количества топлива. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения расхода топлива в широком диапазоне при одновременном упрощении конструкции. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для измерения объемного расхода топлива, содержащее топливный бак, соединенный трубопроводом через основной электромагнитный клапан с впускным патрубком испытуемого двигателя, вспомогательную емкость, датчики количества топлива, датчик предельного количества топлива, процессор, отличающееся тем, что в него введены дополнительный не менее чем двухступенчатый электромагнитный клапан с обмотками управления ступенями, входной коллектор и соединенный с дном вспомогательной емкости выходной коллектор которого соединены соплами по числу ступеней, ключи, схемы запрета, при этом вспомогательная емкость выполнена в виде не менее чем двухступенчатой пирамиды с возрастающим сверху вниз сечением ступеней, на верхнем торце каждой из которых размещен датчик количества топлива в виде датчика раздела жидкой и газообразной сред, а на нижнем торце нижней ступени размещен датчик предельного количества топлива, основной электромагнитный клапан выполнен трехпозиционным, с двумя управляющими обмотками и приводом и подключен первым входом к нижней части трубопровода, вторым входом - выходом - к входному коллектору дополнительного электромагнитного клапана, а выходом - к впускному патрубку испытуемого двигателя, управляющие обмотки основного электромагнитного клапана через соответствующие ключи подключены к выходам процессора, обмотки управления дополнительного электромагнитного клапана через соответствующие ключи и схемы запрета подключены к выходам датчиков количества топлива.2. Устройство для измерения расхода по п.1, отличающееся тем, что число ступеней дополнительного электромагнитного клапана, число ступеней вспомогательной емкости и число датчиков количества топлива составляет от двух до пяти, высота каждой ступени вспомогательной емкости выбирается в пределах от 1 до 20 см, сечение каждой ступени указанной емкости выбирается в пределах от 0,01 до 100 см², при этом время опорожнения одной ступени вспомогательной емкости выбирается в пределах от 3 до 300 с.3. Устройство для измерения расхода по п.1, отличающееся тем, что проходное сечение сопел дополнительного электромагнитного клапана выбирается с обеспечением скорости наполнения Vнап вспомогательной емкости топливом по условию Vнап<0,2 Рмакс, где Рмакс - максимальное значение расхода, контролируемое соответствующей ступенью вспомогательной емкости.4. Устройство для измерения расхода по п.1, отличающееся тем, что основной электромагнитный клапан выполнен в виде цилиндрического статора с четырьмя каналами и ротора с двумя каналами, а привод клапана выполнен в виде шагового двигателя, выходной вал которого соединен с ротором.