СТРУЙНЫЙ ДАТЧИК РАСХОДА Российский патент 2008 года по МПК G01F1/20 

Изобретение относится к технике измерения расхода, в частности к средствам измерения расхода газов или жидкостей.

Известен струйный датчик расхода, содержащий струйные переключатели, сопла питания которых соединены с входным отверстием, а дренажные полости - с выходным отверстием датчика расхода. Выходные сопла каждого переключателя подключены к управляющим соплам последующего переключателя коммуникационными каналами. К выходным соплам одного из переключателей подключен пневмоэлектропреобразователь [см. А.С. СССР №857714, кл. G01F 1/48, 1977].

Это устройство при измерении больших расходов имеет большой вес и габариты из-за больших габаритов струйных переключателей, а также недостаточно широкий диапазон измерения расхода с линейной характеристикой, что препятствует широкому его применению.

Известен струйный датчик расхода, содержащий первичный струйный частотный датчик расхода (ПСЧДР) и сужающее устройство (СУ), подключенное параллельно ПСЧДР [см. «Приборы и устройства струйной техники». Ленинград, ЛДНТП, 1980, стр.26].

Это устройство имеет большую погрешность при измерении расходов, изменяющихся в широком диапазоне, поскольку при малых расходах перепад на ПСЧДР не пропорционален квадрату расхода (как на стандартном СУ) из-за существенного влияния сил вязкости на профиль скоростей в сопле питания струйного переключателя, вследствие чего коэффициенты расхода СУ и сопла питания струйного переключателя ПСЧДР при изменении расхода в широком диапазоне изменяются по-разному, что ведет к образованию большой погрешности в работе датчика.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является струйный датчик расхода, содержащий СУ с обтекаемым телом и первичный струйный преобразователь, имеющий струйные переключатели, соединенные последовательно, причем выходы переключателей соединены по типу отрицательной обратной связи, и выходной пневмоэлектропреобразователь сигнала, подключенный к выходным каналам одного из переключателей, сопла питания переключателей через канал подвода и вход СУ соединены с входом датчика, дренажные полости переключателей соединены с горлом СУ, выход которого соединен с выходом датчика (см. Патент РФ №2253844 от 13.09.04 г., МПК ⁷ G01F 1/20).

Это устройство имеет большую погрешность при измерении расходов газа в широком диапазоне температур окружающего воздуха. Например, в зимнее время при установке датчика в отапливаемом помещении, температура воздуха в котором может быть порядка +30°С, температура наружного воздуха и газа, расход которого измеряется, может быть порядка минус 40°С. Поскольку основной расход холодного газа осуществляется через проточную часть СУ, а преобразователь с минимальным расходом расположен за пределами проточной части, то создаются условия для теплообмена газа в каналах переключателей с теплым воздухом помещения. Поэтому режимы течения газа через горло СУ и через сопла переключателей значительно отличаются. При изменении расхода температурное расслоение также изменяется, что сказывается на точности определения расхода и объема потребляемого газа. Дополнительно можно отметить, что известное устройство имеет большую массу и габариты из-за раздельного выполнения СУ и первичного струйного преобразователя.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное изобретение, является создание измерителя расхода, имеющего высокую точность, небольшую массу и габариты, работоспособного в широком диапазоне изменения расхода и температуры (окружающего воздуха и газа, расход которого измеряется).

Для достижения указанного технического результата струйный датчик расхода содержит корпус, сужающее устройство с обтекаемым телом, между которым и корпусом образован канал, имеющий горло, частотный струйный преобразователь со струйными переключателями, соединенными последовательно по типу отрицательной обратной связи, и выходной пневмоэлектропреобразователь сигнала, подключенный к выходным каналам одного из переключателей, причем сопла питания переключателей через входное отверстие канала подвода соединены со входом датчика, дренажные полости переключателей - с горлом сужающего устройства, а выход сужающего устройства соединен с выходом датчика, причем частотный струйный преобразователь установлен в обтекаемом теле, в котором выполнены входное отверстие канала подвода и щель, соединяющая дренажные каналы переключателей с горлом.

Внешняя поверхность обтекаемого тела может быть выполнена в виде поверхности вращения.

Горло может иметь ширину, равную 1,2±0,6 гидравлического диаметра сопл питания струйных переключателей.

Ширина щели в обтекаемом теле может быть равна 0,7±0,3 гидравлического диаметра сопл питания струйных переключателей.

Ширина канала перед щелью может быть выполнена на 0,1±0,05 гидравлического диаметра сопл питания струйных переключателей меньше ширины за щелью.

Входное отверстие канала подвода воздуха к струйным переключателям может быть выполнено в обтекаемом теле в месте, где ширина канала между корпусом и обтекаемым телом не менее чем в 4 раза больше ширины горла.

Входное отверстие канала подвода может быть выполнено в виде щели (щелей).

Отличительный признак заявляемого изобретения, а именно установка частотного струйного преобразователя в обтекаемом теле, в котором выполнены входное отверстие канала подвода и щель, соединяющая дренажные каналы переключателей с горлом, позволяет уменьшить вес и габариты датчика за счет использования пространства в обтекаемом теле), повысить его статическую и динамическую точность (за счет исключения влияния температуры окружающей среды на струйный преобразователь и более быстрого прогрева (охлаждения) струйного преобразователя (в обтекаемом теле) при повышении (понижении) температуры измеряемой среды).

Выполнение внешней поверхности обтекаемого тела в виде поверхности вращения упрощает конструкцию, делает датчик более технологичным, позволяет уменьшить стоимость датчика.

Выполнение горла канала между корпусом и обтекаемым телом с шириной, равной 1,2±0,6 гидравлического диаметра сопл питания струйных переключателей, позволяет повысить точность датчика за счет обеспечения одинакового режима течения измеряемой среды через канал и через сопла переключателей.

Выполнение в обтекаемом теле щели, соединяющей дренажные каналы переключателей с горлом, шириной 0,7±0,3 гидравлического диаметра сопл питания струйных переключателей позволяет получить повышенную точность работы датчика.

Выполнение между корпусом датчика и обтекаемым телом канала, ширина которого перед щелью может быть выполнена на 0,1±0,05 гидравлического диаметра сопл питания струйных переключателей меньше ширины за щелью, позволяет получить повышенную точность работы датчика.

Выполнение входного отверстия канала подвода воздуха к струйным переключателям в обтекаемом теле в месте, где ширина канала между корпусом и обтекаемым телом не менее чем в 4 раза больше ширины горла, позволяет получить на струйных переключателях необходимый для их работы перепад в широком диапазоне расходов (увеличивает перепад давлений на переключателях), что расширяет рабочий диапазон датчика.

Выполнение входного отверстия канала подвода в виде щели (щелей) упрощает конструкцию датчика, снижает его вес, габариты и стоимость.

Схема струйного датчика расхода представлена на чертеже и описана ниже.

Струйный датчик расхода содержит соединенное со входом 1 датчика сужающее устройство с обтекаемым телом 2, которое может быть выполнено в виде поверхности вращения, внутри которого установлен частотный струйный преобразователь 3. Преобразователь 3 имеет струйные переключатели 4, соединенные последовательно по типу отрицательной обратной связи и, например, через согласующий переключатель 5 с входными каналами пневмоэлектропреобразователя 6, выходы которого герметично выведены через обтекаемое тело 2 и корпус 7 за пределы проточной части датчика. Сопла питания струйных переключателей 4 и 5 соединены через полость 8 и входное отверстие канала подвода, например, в виде щели (щелей) 9 в обтекаемом теле 2 со входом 1, а дренажные каналы струйных переключателей соединены через дренажную полость 10, например, через торцевую щель 11 в обтекаемом теле 2 (причем ширина щели может быть равна 0,7±0,3 гидравлического диаметра сопл питания струйных переключателей) с горлом 12 проточной части сужающего устройства, образованным в виде канала (сечение с минимальной площадью, ширина которого может быть равна 1,2±0,6 гидравлического диаметра сопл питания струйных переключателей) между корпусом 7 и обтекаемым телом 2. Ширина горла 12 перед щелью может быть выполнена меньше ширины канала за щелью на 0,1±0,05 гидравлического диаметра сопл питания струйных переключателей 4. Вход 1 датчика через проточную часть сужающего устройства соединен с выходом 13. Входное отверстие подвода воздуха к струйным переключателям датчика выполнено в обтекаемом теле в месте, где, например, ширина канала между корпусом и обтекаемым телом не менее чем в 4 раза больше ширины горла 12.

Струйный датчик расхода работает следующим образом.

Рабочая среда, поступающая на вход 1 струйного датчика расхода, проходя через горло 12 между внутренней поверхностью корпуса 7 и наружной профилированной поверхностью обтекаемого тела 2 на выход 13, эжектирует среду через щель 11 из дренажной полости 10 струйных переключателей 4 и 5. Одновременно рабочая среда поступает со входа 1 через щель 9 к соплам питания струйных переключателей 4 и 5 и далее в их дренажную полость 10, а затем, например, через щель 11 в проточную часть сужающего устройства.

Так как струйные переключатели 4 соединены по типу отрицательной обратной связи, то имеет место периодическое переключение направления течения силовой струи, истекающей из сопл питания струйных переключателей 4. Возникающие импульсы давления (расхода) фиксируются пневмоэлектропреобразователем 6, подсоединенным к выходным каналам одного из струйных переключателей 4 непосредственно или через согласующий переключатель 5. Выходы пневмоэлектропреобразователя 6 герметично выведены через обтекаемое тело 2 и корпус 7 за пределы проточной части датчика. При этом частота импульсов давления (расхода) пропорциональна расходу измеряемой среды.

Установка частотного струйного преобразователя в обтекаемом теле, в котором выполнены входное отверстие канала подвода и щель, соединяющая дренажные каналы переключателей с горлом, позволяет уменьшить влияние температуры воздуха окружающей среды на работу датчика. Например, при установке датчика в отапливаемом помещении, в котором в зимнее время температура воздуха может быть порядка +30°С, а температура наружного воздуха и газа, расход которого измеряется, могут быть порядка минус 40°С. Холодный газ будет проходить через проточную часть СУ и через преобразователь, расположенный внутри проточной части. Температура корпуса обтекателя 2, в котором расположен преобразователь, также будет минус 40°С. Вследствие этого у преобразователя не будет условий для теплообмена газа в каналах переключателей с теплым воздухом помещения. Поэтому при наличии большой разницы в температурах наружного воздуха и воздуха в помещении не будет температурных расслоений характеристик датчика (в отличие от известного датчика, у которого преобразователь расположен снаружи проточной части).

Выполнение внешней поверхности обтекаемого тела 2 в виде поверхности вращения делает датчик более технологичным в изготовлении.

Выполнение горла 12 шириной 1,2±0,6 гидравлического диаметра сопл питания струйных переключателей повышает линейность характеристики датчика за счет подобия режимов течения газа в горле 12 и в соплах питания струйных переключателей.

Выполнение щели 11 шириной 0,7±0,3 гидравлического диаметра сопл питания струйных переключателей и выполнение канала перед щелью 11 на 0,1±0,05 гидравлического диаметра сопл питания переключателей меньше ширины за щелью повышает линейность характеристики датчика (точность).

Дополнительно можно отметить, что заявленное устройство имеет меньшую массу и габариты из-за установки первичного струйного преобразователя в СУ.

Струйный датчик содержит сужающее устройство с обтекаемым телом, между которым и корпусом датчика образован канал, имеющий горло, частотный струйный преобразователь со струйными переключателями, соединенными последовательно по типу отрицательной обратной связи. К выходным каналам одного из переключателей подключен выходной пневмоэлектропреобразователь сигнала. Сопла питания переключателей через канал подвода и вход сужающего устройства соединены со входом датчика, дренажные полости переключателей - с горлом сужающего устройства, а выход сужающего устройства соединен с выходом датчика. Частотный струйный преобразователь установлен в обтекаемом теле, в котором выполнены входное отверстие канала подвода в виде щелей и щель, соединяющая дренажные каналы переключателей с горлом. Изобретение повышает точность измерения расхода в широком диапазоне температур, имеет небольшие габариты. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Струйный датчик расхода, содержащий корпус, сужающее устройство с обтекаемым телом, между которым и корпусом образован канал, имеющий горло, частотный струйный преобразователь со струйными переключателями, соединенными последовательно по типу отрицательной обратной связи, и выходной пневмоэлектропреобразователь сигнала, подключенный к выходным каналам одного из переключателей, причем сопла питания переключателей через входное отверстие канала подвода соединены со входом датчика, дренажные полости переключателей - с горлом сужающего устройства, а выход сужающего устройства соединен с выходом датчика, отличающийся тем, что частотный струйный преобразователь установлен в обтекаемом теле, в котором выполнены входное отверстие канала подвода и щель, соединяющая дренажные каналы переключателей с горлом.2. Струйный датчик расхода по п.1, у которого внешняя поверхность обтекаемого тела выполнена в виде поверхности вращения.3. Струйный датчик расхода по п.1, у которого горло имеет ширину, равную 1,2±0,6 гидравлического диаметра сопл питания струйных переключателей.4. Струйный датчик расхода по п.1, у которого ширина щели в обтекаемом теле равна 0,7±0,3 гидравлического диаметра сопл питания струйных переключателей.5. Струйный датчик расхода по п.1, у которого ширина канала перед щелью на 0,1±0,05 гидравлического диаметра сопл питания струйных переключателей меньше ширины за щелью.6. Струйный датчик расхода по п.1, у которого входное отверстие канала подвода воздуха к струйным переключателям выполнено в обтекаемом теле в месте, где ширина канала между корпусом и обтекаемым телом не менее чем в 4 раза больше ширины горла.7. Струйный датчик расхода по п.1, у которого входное отверстие канала подвода выполнено в виде щели (щелей).