Настоящее изобретение относится к устройству для определения по меньшей мере одного параметра движущегося по трубопроводу потока текучей среды.
Из заявки DE 19623334 А1 (ближайший аналог изобретения) известно устройство для определения массового расхода движущегося по трубопроводу потока текучей среды, имеющее помещенную в трубопровод часть, в которой выполнен измерительный канал с расположенным в нем измерительным (чувствительным) элементом. Подобные устройства используются, например, в качестве расходомеров воздуха, устанавливаемых в тракте впуска воздуха в двигатель внутреннего сгорания (ДВС). В этот тракт впуска воздуха могут попадать брызги воды и пыль, захватываемые и перемещаемые потоком текучей среды, которой является воздух. Помимо этого при выключении ДВС через входной трубопровод системы вентиляции картера в тракт впуска воздуха могут попадать пары масла. Переносимые потоком текучей среды капельки жидкости и твердые частицы могут в известном устройстве проникать в его измерительный канал и загрязнять расположенный в нем измерительный элемент. В результате подобного загрязнения измерительного, соответственно чувствительного, элемента его характеристика изменяется, что сопровождается нежелательным появлением погрешности в выдаваемых им результатах, которые тем самым не соответствуют фактическим значениям измеряемого параметра.
Из публикации WO 02/18886 известно устройство для определения массового расхода впускаемого в ДВС воздуха, которое своей штекерной частью с чувствительным элементом установлено в трубопроводе таким образом, чтобы часть движущегося по трубопроводу потока среды проходила по предусмотренному в штекерной части с чувствительным элементом измерительному каналу от входа к выходу в первом направлении. Измерительный канал между своим входом и выходом имеет участок, выполненный в виде отклоняющего поток канала.
Из статьи G.Gauthier и др. "Centrifugal instabilities in a curved rectangular duct of small aspect ratio", PHYSICS OF FLUIDS, Bd, 13, №10, 31 октября 2001 г., стр.2831-2834, ХР 002255294, известна возможность возникновения завихрений потока в изогнутом канале в зависимости от расхода движущейся среды.
Объектом изобретения является устройство для определения по меньшей мере одного параметра потока текучей среды, движущегося по трубопроводу в направлении основного потока, прежде всего массового расхода впускаемого в двигатель внутреннего сгорания воздуха, имеющее часть, помещаемую в трубопровод в заданной ориентации относительно направления основного потока таким образом, что часть потока текучей среды, движущегося по трубопроводу в направлении основного потока, проходит по меньшей мере по одному предусмотренному в этой части устройства измерительному каналу в первом направлении от входа измерительного канала к его выходу, а также имеющее по меньшей мере один расположенный в измерительном канале измерительный элемент для определения по меньшей мере одного параметра потока текучей среды. Измерительный канал между его входом и выходом имеет по меньшей мере один участок, на котором расположены средства, создающие на этом участке измерительного канала завихрения в проходящем по нему потоке текучей среды.
Отличие предлагаемого в изобретении устройства от ближайшего аналога заключается в том, что указанные создающие завихрения средства образованы за счет структурирования или профилирования внутренней стенки измерительного канала на указанном его участке, причем на внутренней стенке измерительного канала на указанном его участке имеется по меньшей мере один уступ, в предпочтительном (частном) варианте - несколько расположенных последовательно один за другим уступов.
Преимущество предлагаемого в изобретении устройства для определения по меньшей мере одного параметра движущегося по трубопроводу потока текучей среды состоит по сравнению с ближайшим аналогом в значительном уменьшении опасности загрязнения измерительного элемента оседающими на него капельками жидкости или твердыми частицами и тем самым в эффективном и надежном предотвращении дрейфа характеристики измерительного элемента. Благодаря предусмотренному в измерительном канале на определенном его участке по меньшей мере одному уступу в проходящем по нему потоке текучей среды создаются завихрения. В таких завихрениях капельки жидкости и твердые частицы движутся не по прямолинейной траектории в продольном направлении измерительного канала, а приблизительно по винтовой или спиральной траектории. Связанное с завихрением потока текучей среды преимущество состоит в том, что из-за различий в плотности жидкости и твердых частиц, с одной стороны, и текучей среды, с другой стороны, и обусловленных этим различных по величине действующих на них центробежных сил попавшие в измерительный канал капельки жидкости и твердые частицы оседают на его стенке еще до достижения ими измерительного элемента.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
При работе ДВС поток воздуха, как известно, проходит по трубопроводу тракта впуска воздуха в направлении основного потока, при этом часть этого потока воздуха попадает в измерительный канал устройства и проходит по измерительному каналу в некотором заданном первом направлении от его входа к его выходу. При возникновении же кратковременного обратного потока текучей среды в трубопроводе, движущегося в направлении, обратном собственно направлению основного потока, что может иметь место, например, при выключении ДВС, капельки масла и иные аналогичные загрязнения, попадающие в трубопровод тракта впуска воздуха через входной трубопровод системы вентиляции картера ДВС автомобиля и переносимые обратным потоком текучей среды в направлении, обратном направлению основного потока, могут попасть в измерительный канал через его выход. Поэтому согласно наиболее предпочтительному варианту выполнения предлагаемого в изобретении устройства снабженный создающими завихрения в потоке текучей среды средствами участок измерительного канала расположен, если смотреть в первом направлении, между измерительным элементом и выходом измерительного канала, благодаря чему в измерительном канале на этом его участке в обратном потоке текучей среды возникают завихрения, приводящие к оседанию капелек масла на стенках измерительного канала еще до достижения ими измерительного элемента.
В простейшем случае указанные выше средства также могут быть образованы за счет структурирования или профилирования внутренней стенки измерительного канала с получением на указанном его участке кромок, выступов или элементов аналогичной геометрической формы, при набегании на которые движущегося по измерительному каналу потока текучей среды в нем образуются завихрения.
Выполнение в предпочтительном варианте осуществления изобретения на диаметрально противоположных сторонах внутренней стенки измерительного канала на указанном его участке по меньшей мере по одному уступу позволяет дополнительно интенсифицировать образующиеся завихрения в потоке текучей среды.
В одном из предпочтительных вариантов измерительный канал имеет первый участок, который плавно сужается, уменьшаясь в своем внутреннем поперечном сечении в первом направлении. К этому первому участку измерительного канала непосредственно или опосредованно примыкает следующий участок, который ступенчато расширяется, увеличиваясь в своем внутреннем поперечном сечении в первом направлении. Плавно сужающийся участок с уменьшающимся в первом направлении внутренним поперечным сечением действует по типу своего рода ускоряющего "трамплина" на частичный поток текучей среды, проходящий по измерительному каналу от его входа к его выходу в прямом направлении. Второй же участок преимущественно задействуется при возникновении в измерительном канале обратного потока текучей среды, поскольку при набегании потока текучей среды предпочтительно на несколько уступов в нем последовательно один за другим образуются завихрения, приводящие к осаждению капелек жидкости и твердых частиц на внутреннюю стенку измерительного канала на этом его участке.
Имеющиеся в измерительном канале на соответствующем его участке уступы предпочтительно имеют кромку, проходящую по меньшей мере частично наклонно и/или по меньшей мере частично поперечно к направлению потока текучей среды в измерительном канале. При набегании потока текучей среды на такую кромку в нем образуются винтовые или спиральные завихрения, которые закручиваются вокруг воображаемых осей, проходящих наклонно и/или поперечно к направлению потока текучей среды.
Согласно следующему варианту выполнения предлагаемого в изобретении устройства по меньшей мере один уступ имеет кромку, проходящую в основном поперечно к направлению потока текучей среды в измерительном канале, и открытую со стороны этой его кромки выемку, кромки которой по меньшей мере частично проходят наклонно к направлению потока текучей среды в измерительном канале или параллельно этому направлению, что обеспечивает возможность образования в потоке текучей среды винтовых или спиральных завихрений, которые закручиваются вокруг воображаемых осей, проходящих примерно вдоль направления потока текучей среды. Образование именно таких завихрений наиболее предпочтительно по той причине, что при этом обеспечивается эффективное осаждение капелек масла и загрязнений на внутреннюю стенку измерительного канала на этом его участке.
Для образования в потоке текучей среды завихрений, оси которых проходят примерно вдоль направления потока текучей среды в измерительном канале, на внутренней стенке измерительного канала на соответствующем его участке можно также предусмотреть структуры или профильные элементы, кромки которых проходят примерно вдоль направления потока текучей среды в измерительном канале. Такие структуры или профильные элементы предпочтительно могут быть образованы проходящими вдоль направления потока текучей среды в измерительном канале, выступающими внутрь него продольными ребрами, которые на этом участке измерительного канала предпочтительно распределены по всему внутреннему периметру или внутренней окружности его внутренней стенки.
Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере некоторых вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - первый вариант выполнения изображенного в разрезе предлагаемого в изобретении устройства в положении, в котором оно той его частью, в которой выполнен измерительный канал, вставлено в трубопровод;
на фиг.2-4 - различные варианты выполнения структур или профильных элементов на внутренних стенках измерительного канала на его предназначенном для создания завихрений в потоке текучей среды участке;
на фиг.5 - другой вариант выполнения изображенного в разрезе предлагаемого в изобретении устройства в положении, в котором оно той его частью, в которой выполнен измерительный канал, вставлено в трубопровод.
На фиг.1 показан участок трубопровода 3, по которому в направлении 18 основного потока движется поток текучей среды. Такой трубопровод может представлять собой, например, впускной трубопровод двигателя внутреннего сгорания (ДВС). В этом случае текучая среда может представлять собой, например, движущийся по этому впускному трубопроводу воздух, подводимый в ДВС в направлении 18 основного потока. Предлагаемое в изобретении устройство 1 установлено на трубопроводе 3 таким образом, что определенная его часть 6 выступает внутрь трубопровода 3, где на нее с заданной стороны набегает поток текучей среды. Помимо выступающей в трубопровод части 6 устройство 1 для определения по меньшей мере одного параметра потока текучей среды имеет также не показанную на чертеже несущую часть с электрическим выводом, в которой размещен, например, электронный блок обработки результатов измерений. Устройство 1 можно, например, его частью 6 вставить в монтажное отверстие 16, выполненное в стенке 15 трубопровода 3, ограничивающей его проходное сечение. Электронный блок обработки может располагаться в пределах и/или за пределами проходного сечения трубопровода 3.
В устройстве 1 может использоваться, например, измерительный (чувствительный) элемент 9, который расположен на его носителе 10, электрически соединенном с электронным блоком обработки. С помощью этого измерительного элемента 9 в качестве параметра потока текучей среды определяется, например, ее объемный или массовый расход. К другим возможным измеряемым параметрам потока текучей среды относятся, например, давление, температура, концентрация какого-либо компонента текучей среды или скорость ее потока, определяемые с помощью соответствующих чувствительных элементов или датчиков.
Устройство 1 в его осевом направлении имеет, например, продольную ось 12, которая проходит, например, в направлении, в котором устройство 1 вставляется в трубопровод 3, и которая может, например, одновременно являться средней осью. Направление потока текучей среды, называемое ниже направлением основного потока, обозначено на фиг.1 соответствующими стрелками 18 и ориентировано в плоскости чертежа справа налево. При монтаже устройства его выступающая в трубопровод 3 часть 6 устанавливается в заданной ориентации, т.е. занимает заданное, строго определенное положение, относительно направления 18 основного потока.
Часть 6 имеет корпус в форме, например, прямоугольного параллелепипеда с обращенной в смонтированном состоянии навстречу направлению 18 основного потока текучей среды передней (лобовой) стенкой 13 и обращенной от нее задней стенкой 14, а также с первой боковой стенкой и второй боковой стенкой и с проходящей, например, параллельно направлению 18 основного потока третьей стенкой 19. Помимо этого часть 6 имеет расположенную внутри него систему каналов с входным участком 27 и ответвляющимся от него измерительным каналом 40. За счет установки устройства 1 в определенном положении относительно трубопровода 3 поток текучей среды, движущийся в направлении 18 основного потока, набегает на часть 6 с заданного направления, и в результате часть потока текучей среды попадает в этом направлении через отверстие 21 в передней стенке 13 во входной участок 27. Это отверстие 21 может, например, лежать в плоскости, перпендикулярной направлению 18 основного потока, однако в принципе отверстие 21 может также располагаться в плоскости, имеющей любую иную ориентацию относительно направления 18 основного потока. Из входного участка 27 поток текучей среды частично попадает через вход 41 в ответвляющийся от входного участка 27 измерительный канал 40, в котором расположен измерительный элемент 9. Другая часть потока текучей среды движется в том же направлении дальше, попадая в расположенную по ходу потока за входом измерительного канала сепарационную зону 28, которая через по меньшей мере одно выполненное в первой боковой стенке и/или во второй боковой стенке и/или в стенке 19 сепарационное отверстие 33 соединена, соответственно сообщается с трубопроводом 3. В потоке текучей среды присутствуют, например, капельки жидкости и/или твердые частицы, в частности капельки масла или воды, которые могут привести к загрязнению и/или повреждению измерительного элемента 9. Эти капельки жидкости и/или твердые частицы могут выводиться через сепарационное отверстие 33 обратно в трубопровод 3. В показанном на фиг.1 примере сепарационное отверстие 33 расположено в плоскости, параллельной направлению 18 основного потока. Однако в принципе плоскость, в которой лежит сепарационное отверстие 33, может располагаться и под отличным от нуля градусов углом к направлению 18 основного потока.
Отверстие 21, расположенное на передней стенке 13 части 6, имеет верхнюю в направлении оси 12 кромку 36, ближайшую в этом направлении оси 12 к измерительному элементу 9. Через эту верхнюю кромку 36 отверстия проходит воображаемая верхняя плоскость 39, перпендикулярная плоскости чертежа по фиг.1 и параллельная направлению 18 основного потока. Сепарационное отверстие 33 расположено в направлении оси 12 ниже этой верхней плоскости 39. В зоне отверстия 21 входной участок 27 имеет наклонные или изогнутые поверхности 22 и снабжен перегородкой 51, которые имеют такую форму, что втекающий во входной участок 27 поток текучей среды отклоняется в сторону от верхней плоскости 39. Поскольку капельки жидкости и/или твердые частицы имеют большие размеры и большую плотность по сравнению с газообразной текучей средой, они движутся в направлении оси 12 от верхней плоскости 39. При этом капельки жидкости и/или твердые частицы скапливаются в сепарационной зоне 28 и, поскольку сепарационное отверстие 33 расположено ниже верхней плоскости 39, засасываются обратно в трубопровод 3 проходящим по нему мимо этого сепарационного отверстия 33 потоком воздуха.
От входного участка 27 начинается первый участок измерительного канала 40, проходящий сначала от его входа 41 примерно в сторону монтажного отверстия 16. Попавший в измерительный канал 40 через его вход 41 частичный поток текучей среды движется по нему в первом направлении а к измерительному элементу 9. К этому первому участку измерительного канала примыкает следующий его участок 44, в котором частичный поток текучей среды изменяет направление своего движения и движется далее мимо измерительного элемента 9. Этот следующий участок 44 измерительного канала сужается в направлении а потока, уменьшаясь в поперечном сечении примерно от показанной на фиг.1 линии 42, расположенной перед измерительным элементом 9, до линии 43, расположенной за измерительным элементом 9. Подобное сужение измерительного канала обеспечивается двумя обращенными друг к другу ускоряющими поток текучей среды поднимающимися по типу аппарели уступами, один из которых виден в плоскости чертежа по фиг.1 в виде в плане. Благодаря сужению измерительного канала по его сечению, соответственно благодаря ускоряющим поток текучей среды поднимающимся по типу аппарели уступам, образованным за счет взаимного сближения ограничивающих измерительный канал 40 боковых поверхностей по всему его внутреннему периметру либо только на части его внутреннего периметра, поток текучей среды исключительно быстро перемещается по измерительному каналу в первом направлении а и за счет этого всасывает поступающий воздух из входного участка 27. Из участка 44 измерительного канала поток текучей среды, поворачивая, попадает в следующий участок 45 измерительного канала, проходящий примерно в направлении оси 12 в противоположную от монтажного отверстия 16 сторону. Из этого участка 45 измерительного канала поток текучей среды, вновь поворачивая, попадает в следующий участок 48 измерительного канала 40, проходящий, например, навстречу направлению 18 основного потока, и в завершение снова попадает в трубопровод 3 через выход 49 измерительного канала 40, лежащий, например, в плоскости, расположенной перпендикулярно направлению 18 основного потока или под отличным от нуля углом к направлению 18 основного потока. Измерительный канал 40, таким образом, имеет в этом случае примерно С-образную форму.
При возможном движении потока текучей среды по трубопроводу 3 в направлении, обратном собственно направлению 18 основного потока, что может иметь место, например, при выключении ДВС, капельки масла и аналогичные загрязнения, попадающие в трубопровод впускного тракта через входной трубопровод системы вентиляции картера ДВС автомобиля и движущиеся в направлении, обратном направлению 18 основного потока, могут попасть в измерительный канал 40 через его выход 49. Этот поток текучей среды втекает, как показано на фиг.1, в измерительный канал во втором направлении b (обратным потоком), обратном первому направлению а. Как показано далее на фиг.1, на участке 45 измерительного канала за его выходом 49, если смотреть в направлении b обратного потока, и перед измерительным элементом 9 предусмотрены средства 46, которые при возникновении подобного обратного потока создают в нем завихрения на этом участке 45 измерительного канала, приводящие к осаждению капелек масла на его стенке еще до того момента, как они достигнут измерительного элемента 9. Такие средства в принципе могут иметь самое различное исполнение. Так, например, на этом участке измерительного канала в нем можно предусмотреть перегородки, поперечные ребра или иные аналогичные элементы, создающие завихрение потока. В показанном на чертеже предпочтительном варианте такие средства образованы за счет структурирования или профилирования внутренней стенки измерительного канала на этом его участке. При этом внутреннее сечение измерительного канала на его участке 45 ступенчато увеличивается в первом направлении а за счет по меньшей мере одного предусмотренного в этом месте уступа, при этом каждый такой уступ 46 имеет проходящую по меньшей мере частично наклонно и/или по меньшей мере частично поперечно к направлению b потока текучей среды в измерительном канале 40 кромку 57. В показанном на фиг.1 примере уступы выполнены на видимой в показанной на фиг.1 проекции внутренней стенке участка 45 измерительного канала, а также на другой расположенной диаметрально напротив нее внутренней стенке, которая находится выше плоскости чертежа, на котором устройство показано в разрезе, и поэтому не видна в этой проекции.
На фиг.2 описанный выше уступ показан более детально в увеличенном масштабе. По меньшей мере один предусмотренный в измерительном канале уступ 46 имеет проходящую в направлении х в основном поперечно направлению потока текучей среды в измерительном канале 40 кромку 57. Как показано далее на этом чертеже, уступ 46 дополнительно имеет открытую со стороны его кромки 57 выемку 47, кромки 47а которой по меньшей мере частично проходят наклонно к направлению потока текучей среды (направление b) в измерительном канале 40 или параллельно этому направлению. При возникновении обратного потока текучей среды в направлении b он будет набегать на уступ 46. При этом в потоке текучей среды при его набегании на проходящую поперечно направлению b кромку 57 будут возникать винтовые или спиральные завихрения, оси которых будут обращены в направлении х. В дополнение к этому на кромках 47а в потоке текучей среды будут возникать винтовые или спиральные завихрения, оси которых будут обращены в направлении b. Образующиеся на уступах завихрения потока представляют собой своего рода макрозавихрения, осевая и радиальная протяженность которых лежит в миллиметровом диапазоне. В результате образования в обратном потоке текучей среды подобных завихрений капельки жидкости и частицы загрязнений будут оседать на внутренней стенке измерительного канала на его участке 45 еще до достижения ими измерительного элемента 9. Для пояснения следует лишь отметить, что в контексте настоящего описания под "направлением а потока", соответственно "направлением b потока", имеется в виду направление потока текучей среды от входа измерительного канала к его выходу, соответственно в обратном направлении, а не направление циркулирующего потока текучей среды в самих образовавшихся завихрениях.
На фиг.3 показан несколько модифицированный вариант осуществления изобретения. В этом случае кромки 47а выемки 47 проходят наклонно к направлению b обратного потока, благодаря чему при его набегании на выемку 47 в нем в этом месте также будут образовываться завихрения с наклоненными к направлению b потока осями.
На фиг.4 показан следующий вариант осуществления изобретения. В этом случае уступ 46 выполнен с проходящей наклонно к направлению b обратного потока кромкой 57, что обеспечивает образование в потоке завихрений с наклоненной под углом α к направлению b потока осью.
В показанных на фиг.1-4 вариантах уступы 46 расположены, если смотреть в направлении а потока текучей среды, за измерительным элементом, чтобы в случае возникновения движущегося в направлении b обратного потока текучей среды создавать в нем завихрения. Однако аналогичные уступы или иные структуры можно также предусмотреть между входом 41 и измерительным элементом для создания завихрений и в потоке текучей среды, движущемся по измерительному каналу от его входа к его выходу в направлении а, чтобы капельки жидкости и твердые частицы, которые все же попали в измерительный канал через его вход, оседали тем самым на внутренней стенке измерительного канала перед расположенным в нем измерительным элементом.
На фиг.5 показан следующий вариант осуществления изобретения. В этом варианте снабженный структурами или профильными элементами участок 45 измерительного канала расположен ближе к выходу 49 измерительного канала. На внутренней стенке 45а этого участка 45 измерительного канала предусмотрены структуры или профильные элементы, кромки которых проходят примерно вдоль направления b потока текучей среды в измерительном канале 40. Такие структуры или профильные элементы в наиболее предпочтительном варианте могут быть образованы проходящими вдоль направления потока текучей среды в измерительном канале, выступающими внутрь него продольными ребрами 55, которые на этом участке измерительного канала предпочтительно распределены по всему внутреннему периметру или внутренней окружности его внутренней стенки. При возникновении обратного потока эти ребра 55 создают в нем на участке 45 измерительного канала завихрения с проходящими вдоль направления b потока текучей среды осями. Из-за различий в плотности капелек масла и воздуха и обусловленных этим различных по величине действующих на них центробежных сил присутствующее в воздухе масло будет оседать на поверхности внутренней стенки измерительного канала.
Изобретение относится к устройствам для определения параметров движущегося по трубопроводу потока текучей среды. Сущность изобретения: устройство содержит конструкцию, помещаемую в трубопровод таким образом, что часть потока текучей среды проходит по меньшей мере по одному измерительному каналу данной конструкции. В измерительном канале расположен измерительный элемент для определения по меньшей мере одного параметра потока текучей среды. Измерительный канал имеет по крайней мере один участок, на котором расположены средства, создающие завихрения в проходящем по нему потоке текучей среды. Причем указанные средства образованы за счет структурирования или профилирования внутренней стенки измерительного канала. Технический результат: повышение точности измерений. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.
| DE 19623334 A1, 18.12.1997 | |||
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ПЕРЭФИРОВ | 0 |
|
SU218886A1 |
| П.П.КРЕМЛЕВСКИЙ | |||
| Расходомеры и счетчики количества | |||
| - Л.: Машиностроение, 1975, с.430-443 | |||
| Вихревой счетчик-расходомер | 1972 |
|
SU437911A1 |
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ПОТОКА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ | 1997 |
|
RU2174673C2 |
