РАСХОДОМЕР-СЧЕТЧИК БЕЗНАПОРНЫХ ПОТОКОВ ЖИДКОСТИ Российский патент 2007 года по МПК G01L1/00 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам измерения объемного расхода жидких сред безнапорных потоков жидкости в открытых водоемах - каналах, не напорных трубопроводах большого сечения и сточных лотках.

Известны расходомеры ультразвукового типа, основанные на эффекте Доплера и методе бокового сноса узкого звукового луча. При доплеровском методе звуковая волна, распространяясь в потоке жидкости на заданном «отрезке», приобретает временной сдвиг, а также фазовый и частотный набеги, которые пропорциональны скорости потока, что позволяет определять расход жидкости.

К существенным 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 скорости потока жидкости к скорости звука в ней. Также известны электромагнитные (индукционные) расходомеры, работающие 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 получаемого сигнала пропорциональна скорости жидкости и, следовательно, ее расходу. Расходомеры данного типа работают как на основе постоянного, так и переменного магнитного поля. Достоинством 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.

Этот недостаток особенно существенно проявляется при работе расходомеров в условиях, когда необходимо независимо и одновременно измерять как скорость потока жидкости, так и ее уровень.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому результату является расходомер жидких сред в открытых водоемах, содержащий устройство измерения средней скорости потока жидкости, включающее лопасть, устройство измерения уровня потока жидкости, включающее рычаг с поплавком, оси, чувствительные элементы измерения угла поворота лопасти и измерения угла перемещения поплавка и электронный блок обработки данных, по патенту РФ №2251080 (МПК G01F 1/00, опубл. 27.04.05, БИ №12), принятый авторами за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства принятого авторами за прототип, относится то, что измерение параметров потока жидких сред производится без учета характеристик нестабильных, изменяющихся по направлению и скорости жидких сред, а также без учета влияния метеорологических факторов конкретной климатической зоны и тем самым не обеспечивается требуемая точность измерений и надежность при эксплуатации.

Такая конструкция устройства позволяет измерять уровень и среднюю скорость стабильного потока жидкости, однако не обеспечивает требуемую точность и надежность работы при эксплуатации в условиях нестабильных изменяющихся по направлению и скорости жидких средах, а также при воздействии метеорологических факторов конкретной климатической зоны.

Таким образом, задачей данного технического решения (прототипа) являлось измерение уровня и средней скорости стабильного потока жидкости без обеспечения требуемой точности и надежности работы при эксплуатации в условиях нестабильных изменяющихся по направлению и скорости жидких средах, а также при воздействии метеорологических факторов конкретной климатической зоны.

Общими признаками с предлагаемыми авторами расходомером-счетчиком безнапорных потоков жидкости, являются устройство измерения средней скорости потока жидкости включающее лопасть, устройство измерения уровня потока жидкости, включающее рычаг с поплавком, оси, чувствительные элементы измерения угла поворота лопасти и измерения угла перемещения поплавка и электронный блок обработки данных.

В отличие от прототипа в предлагаемом авторами расходомере-счетчике, лопасть и рычаг с поплавком жестко закреплены на осях своих подшипников скольжения, причем лопасть располагают в плоскости центральной продольной оси потока, а узлы крепления подшипников скольжения лопасти и рычага с поплавком выполнены с возможностью поворота в горизонтальной плоскости, кроме того, диаметр поплавка и параметры лопасти выбирают по формулам

где D - диаметр поплавка, В - ширина канала, m₁ - масса поплавка, m₂ - масса рычага, ρ - плотность жидкости, V_min - минимальное значение средней скорости потока, V_max - максимальное значение средней скорости потока, М - масса лопасти, b - ширина лопасти, δ_O - глубина отрыва поплавка в стоячей воде, Н - расстояние от оси крепления лопасти до дна канала, π - число «π».

В частных случаях, то есть в конкретных формах выполнения, изобретение характеризуется следующими признаками:

- узлы крепления лопасти и рычага с поплавком на осях подшипников скольжения снабжены устройством подогрева,

- точки подвеса лопасти и рычага с поплавком размещают на расстоянии L≥5(D+b), исключающем влияния динамических возмущений потока жидкости, вызванных их взаимным влиянием,

- устройство измерения уровня потока жидкости размещено в успокоительном колодце,

- устройство измерения уровня потока жидкости размещено в отводном канале.

Именно это позволяет сделать вывод о наличии причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого технического решения и достигаемым техническим результатом.

Указанные признаки, отличительные от прототипа и на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны, во всех случаях достаточны.

Задачей предлагаемого изобретения является создание расходомера-счетчика, обеспечивающего требуемую точность измерений и надежность работы при эксплуатации в условиях нестабильных изменяющихся по направлению и скорости жидких средах, а также при воздействии метеорологических факторов конкретной климатической зоны.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном расходомере-счетчике, содержащем устройство измерения средней скорости потока жидкости, включающее лопасть, устройство измерения уровня потока жидкости включающее рычаг с поплавком, оси, чувствительные элементы измерения угла поворота лопасти и измерения угла перемещения поплавка и электронный блок обработки данных, особенность заключается в том, что лопасть и рычаг с поплавком жестко закреплены на осях своих подшипников скольжения, причем лопасть располагают в плоскости центральной продольной оси потока, а узлы крепления подшипников скольжения лопасти и рычага с поплавком выполнены с возможностью поворота в горизонтальной плоскости, кроме того, диаметр поплавка и параметры лопасти выбирают по формулам:

где D - диаметр поплавка, В - ширина канала, m₁ - масса поплавка, m₂ - масса рычага, ρ - плотность жидкости, V_min - минимальное значение средней скорости потока, V_max - максимальное значение средней скорости потока, М - масса лопасти, b - ширина лопасти, δ_O - глубина отрыва поплавка в стоячей воде, Н - расстояние от оси крепления лопасти до дна канала, π - число «π».

Новая совокупность конструктивных элементов, а также наличие связей между ними позволяют, в частности, за счет:

- жесткого закрепления лопасти и рычага с поплавком на осях своих подшипников скольжения обеспечить надежную передачу информации о параметрах потока жидкости на чувствительные элементы измерения угла;

- расположения лопасти в плоскости центральной продольной оси потока обеспечить оптимальные условия работы лопасти в потоке жидкости и соответственно требуемую точность измерений;

- выполнения узлов крепления подшипников скольжения лопасти и рычага с поплавком с возможностью поворота в горизонтальной плоскости исключить возникновение автоколебательных процессов при изменении характера течения потока жидкости;

- выбора диаметра поплавка и параметров лопасти по формулам

где D - диаметр поплавка, В - ширина канала, m₁ - масса поплавка, m₂ - масса рычага, ρ - плотность жидкости, V_min - минимальное значение средней скорости потока, V_max - максимальное значение средней скорости потока, М - масса лопасти, b - ширина лопасти, δ_O - глубина отрыва поплавка в стоячей воде, Н - расстояние от оси крепления лопасти до дна канала, π - число «π» - обеспечить требуемую точность измерения параметров потока.

Признаки, характеризующие изобретение в конкретных формах выполнения, позволяют, в частности, за счет:

- снабжения устройством подогрева узлов крепления лопасти и рычага с поплавком на осях подшипников скольжения обеспечить требуемую точность измерений при воздействии метеорологических факторов конкретной климатической зоны;

- размещения точек подвеса лопасти и рычага с поплавком на расстоянии L≥5(D+b) исключить влияния динамических возмущений потока жидкости, вызванных их взаимным влиянием, и тем самым обеспечить требуемую точность измерений;

- размещения устройства измерения уровня потока жидкости в успокоительном колодце обеспечить требуемую точность измерений уровня потока жидкости в условиях волнения поверхности потока, а также исключить возможность взаимного влияния лопасти и рычага с поплавком;

- размещения устройства измерения уровня потока жидкости в отводном канале обеспечить требуемую точность измерений больших расходов потока жидкости, а также исключить возможность взаимного влияние лопасти и рычага с поплавком.

Признаки, отличающие предлагаемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях и не известны из уровня техники в процессе проведения патентных исследований, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «новизны».

Исследуя уровень техники в ходе проведения патентного поиска по всем видам сведений, доступных в странах бывшего СССР и зарубежных странах, обнаружено, что предлагаемое техническое решение явным образом не следует из известного на сегодня уровня техники, следовательно, можно сделать вывод о соответствии критерию «изобретательский уровень».

Сущность изобретения заключается в том, что расходомер-счетчик безнапорных потоков жидкости, содержащий устройство измерения средней скорости потока жидкости включающее лопасть, устройство измерения уровня потока жидкости включающее рычаг с поплавком, оси, чувствительные элементы измерения угла поворота лопасти и измерения угла перемещения поплавка и электронный блок обработки данных, в отличие от прототипа согласно изобретению лопасть и рычаг с поплавком жестко закреплены на осях своих подшипников скольжения, причем лопасть располагают в плоскости центральной продольной оси потока, а узлы крепления подшипников скольжения лопасти и рычага с поплавком выполнены с возможностью поворота в горизонтальной плоскости, кроме того, диаметр поплавка и параметры лопасти выбирают по формулам

где D - диаметр поплавка. В - ширина канала, m₁ - масса поплавка, m₂ - масса рычага, ρ - плотность жидкости, V_min - минимальное значение средней скорости потока, V_max - максимальное значение средней скорости потока, М - масса лопасти, b - ширина лопасти, δ_O - глубина отрыва поплавка в стоячей воде, Н - расстояние от оси крепления лопасти до дна канала, π - число «π».

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена функциональная схема расходомера-счетчика, на фиг.2 - узел подшипника скольжения с устройством подогрева.

Предлагаемый расходомер-счетчик содержит устройство измерения уровня потока жидкости, включающее рычаг 1 массой m₂ с поплавком 2 диаметром D массой m₁, ось 3, опору подшипника скольжения 4, чувствительный элемент 5 измерения угла α наклона рычага 1 с поплавком 2, узел крепления подшипника скольжения 6 с возможностью поворота в горизонтальной плоскости, устройство измерения средней скорости потока жидкости, включающее лопасть 7 массой М шириной b, ось 3, опору подшипника скольжения 4, чувствительный элемент 5 измерения угла наклона лопасти 7, узел крепления подшипника скольжения 6 с возможностью вращения в горизонтальной плоскости, электронный блок обработки данных 8, канал 9 шириной В, жидкость плотностью ρ, глубина отрыва поплавка в стоячей воде δ_О расстояние от оси крепления лопасти до дна канала Н.

В частных случаях, то есть в конкретных формах исполнения, в расходомере-счетчике на опорах подшипников скольжения 6 размещены устройства подогрева 10, точки подвеса лопасти 7 и рычага 1 с поплавком 2 размещены на расстоянии L, устройство измерения уровня потока жидкости размещено в успокоительном колодце, устройство измерения уровня потока жидкости размещено в отводном канале.

Вышеописанное устройство работает следующим образом.

При установке расходомера-счетчика в плоскости центральной продольной оси потока жидкости в месте эксплуатации лопасть 7 устройства измерения средней скорости потока и рычаг 1 с поплавком 2 устройства измерения уровня потока жидкости погружают в жидкость, при изменении уровня жидкости h поплавок 2 перемещается вверх (вниз) и, соответственно, изменяется угол α наклона рычага 1, поворачивающегося на оси 3. При этом чувствительный элемент 5 измерения угла наклона рычага 1 вырабатывает сигнал об угле α, который передается в электронный блок обработки данных 8, одновременно с изменением уровня жидкости h меняется средняя скорость потока жидкости V, что приводит к соответствующему изменению гидродинамического давления жидкости на погруженную часть лопасти 7. Лопасть 7 под действием потока жидкости поворачивается относительно своей оси 3 в равновесное положение, определяемое углом β, чувствительный элемент 5 измерения угла наклона лопасти 7 вырабатывает сигнал о величине угла β, который передается в электронный блок обработки данных 8 для дальнейшего преобразования и вычисления параметров потока. По значениям углов α и β в электронном блоке обработки данных 8 рассчитывается величина поперечного сечения потока жидкости, его средняя скорость для каждого момента времени и вычисляется расход и объем жидкости по заданному алгоритму.

Выполнение расходомера-счетчика в соответствии с изобретением позволяет обеспечить требуемую точность измерений и надежность работы при эксплуатации в условиях нестабильных изменяющихся по направлению и скорости жидких средах, а также при воздействии метеорологических факторов конкретной климатической зоны. Предлагаемое техническое решение обладает повышенной надежностью, простотой эксплуатации и расширенным динамическим диапазоном измерения безнапорных потоков жидкости (в открытых водоемах, каналах, безнапорных трубопроводах различного сечения, сточных лотках).

Изобретение может быть использовано при разработке различных расходомеров-счетчиков безнапорных потоков жидкости.

Указанный положительный эффект подтвержден испытаниями опытных образцов расходомеров-счетчиков, выполненных в соответствии с изобретением.

В настоящее время разработана конструкторская документация, проведены испытания, намечено серийное производство.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам измерения объемного расхода жидких сред безнапорных потоков жидкости. Расходомер-счетчик содержит устройство измерения средней скорости потока жидкости, включающее лопасть, устройство измерения уровня потока жидкости, включающее рычаг с поплавком, оси, чувствительные элементы измерения угла поворота лопасти и измерения угла перемещения поплавка и электронный блок обработки данных. Лопасть и рычаг с поплавком жестко закреплены на осях своих подшипников скольжения. Лопасть располагают в плоскости центральной продольной оси потока. Узлы крепления подшипников скольжения лопасти и рычага с поплавком выполнены с возможностью вращения в горизонтальной плоскости. Диаметр поплавка и параметры лопасти выбирают в зависимости от ширины канала, массы поплавка, масса рычага, плотности жидкости, средней скорости потока, глубины отрыва поплавка в стоячей воде, расстояния от оси крепления лопасти до дна канала по соответствующим формулам. Техническим результатом является обеспечение требуемой точности измерений и надежности работы при эксплуатации в условиях нестабильных изменяющихся по направлению и скорости жидких сред, а также при воздействии метеорологических факторов конкретной климатической зоны. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Расходомер-счетчик безнапорных потоков жидкости, содержащий устройство измерения средней скорости потока жидкости, включающее лопасть, устройство измерения уровня потока жидкости, включающее рычаг с поплавком, оси, чувствительные элементы измерения угла поворота лопасти и устройства измерения угла перемещения поплавка и электронный блок обработки данных, отличающийся тем, что лопасть и рычаг с поплавком жестко закреплены на осях своих подшипников скольжения, причем лопасть располагают в плоскости центральной продольной оси потока, а узлы крепления подшипников скольжения лопасти и рычага с поплавком выполнены с возможностью поворота в горизонтальной плоскости, кроме того, диаметр поплавка и параметры лопасти выбирают по формулам

где D - диаметр поплавка, В - ширина канала, m₁ - масса поплавка, m₂ - масса рычага, ρ - плотность жидкости, V_min - минимальное значение средней скорости потока, V_max - максимальное значение средней скорости потока, М - масса лопасти, b - ширина лопасти, δ_о - глубина отрыва поплавка в стоячей воде, Н - расстояние от оси крепления лопасти до дна канала, π - число «π».