Устройство для измерения расхода жидкости Российский патент 2017 года по МПК G01F1/75 

Устройство относится к области приборостроения, в частности - средств для измерения расхода жидкости. Его можно использовать, например, для измерения расхода и скорости жидкости в топливной магистрали энергетической установки.

Известен ряд аналогичных устройств для измерения расхода жидкости. Например, аналог [1: RU №2481559 «Способ измерения расхода жидкости и устройство для его осуществления»], содержащий крыльчатку, размещенную в трубе из немагнитного материала, катушку съема сигнала с сердечником из магнитомягкого материала, один вывод которой соединен с земляной шиной, а другой - с входом приемника, выход которого подключен к входу решающего блока, на выходе которого формируется выходной сигнал приемника, что совпадает с существенными признаками предлагаемого.

Кроме того, введен генерирующий блок, сигнал которого поступает на катушку, амплитуда сигнала которой изменяется при прохождении лопастей крыльчатки с закрепленными на них постоянными магнитами.

Недостаток данного аналога, как показали проведенные оценки, состоит в понижении чувствительности, точности и динамического диапазона.

Также известен аналог [2: US Pat №5199307 "Automatic power generation type flowmeter", содержащий крыльчатку, катушку съема сигнала с сердечником из магнитомягкого материала, один вывод которой соединен с земляной шиной, а другой - с входом приемника, выход которого подключен к входу решающего блока, на выходе которого формируется выходной сигнал приемника, что совпадает с существенными признаками предлагаемого.

Кроме того, сигнал в катушке формируется при чередовании полюсов постоянных магнитов, связанных с крыльчаткой, внутри магнитопровода, подводящего индуцируемый магнитный поток к виткам катушки.

Данному способу присущи недостатки вышеуказанного аналога [1].

Наиболее близким к заявляемому является принятое в качестве прототипа устройство [3: патент US Pat №4,404,860 «Flow rate sensor»], содержащее крыльчатку, размещенную в трубе из немагнитного материала, катушку съема сигнала с сердечником из магнитомягкого материала, один вывод которой соединен с земляной шиной, а другой - с входом приемника, сигнал с выхода которого поступает на входу решающего блока, на выходе которого формируется выходной сигнал приемника, что совпадает с существенными признаками предлагаемого.

Кроме того, введен генерирующий блок, сигнал которого через емкость поступает на катушку, в которой формируется сигнал с амплитудой изменяющейся при прохождении лопастей крыльчатки.

Работа прототипа основана на том, что сигнал генератора поступает на L-C цепочку, настроенную на частоту последовательного резонанса, когда лопасть крыльчатки находится за пределами зоны между торцами U-образного сердечника из магнитомягкого материала. Когда лопасть крыльчатки перемещается в зону между торцов сердечника, индуктивность L катушки увеличивается, условие последовательного резонанса L-C цепочки нарушается и на огибающей сигнала, снимаемого с катушки, формируются провалы, по частоте следования которых определяют скорость вращения крыльчатки и, соответственно, измеряемый расход жидкости.

Недостаток прототипа состоит в понижении чувствительности, точности и динамического диапазона.

С целью преодоления указанных недостатков предлагается устройство для измерения расхода жидкости, блок-схема которого приведена на фиг. 1, содержащее крыльчатку 1 с лопастями 2 из ферромагнитного материала, размещенную в трубе 3 из немагнитного материала, с наружной стороны трубы 3 размещена катушка съема сигнала 4 с U-образным сердечником 5 из магнитомягкого материала, один вывод которой соединен с земляной шиной, а другой - с входом приемника 6, выход которого подключен к входу решающего блока 7, на выходе которого формируется выходной сигнал устройства.

При этом у торца одного из колен U-образного сердечника 5, выполненного из магнитомягкого материала, размещен двухполюсный магнит 8.

Кроме того, расстояние S_C между концами U-образного сердечника 5 меньше расстояния S_Л между лопастями 2 крыльчатки 1 (фиг. 1).

Кроме того, двухполюсный магнит 8 выполнен в виде постоянного магнита.

Кроме того, двухполюсный магнит 8 выполнен в виде соленоида, размещенного на U-образном сердечнике 5.

Кроме того, расстояние S_C между концами U-образного сердечника 5 совпадает с расстоянием S_Л между лопастями 2 крыльчатки 1, торцы лопастей 2 крыльчатки 1 и колен U-образного сердечника 5 в точке максимального сближения параллельны друг другу и ограничены общей цилиндрической поверхностью, а между лопастями 2 крыльчатки 1 введены вставки 9 из ферромагнитного материала (фиг. 2).

Кроме того, двухполюсный магнит 8 закреплен на оси вращения 10, перпендикулярной вектору намагниченности магнита 8 и продольной оси одного из колен U-образного сердечника 5 (фиг. 3).

Кроме того, между торцом U-образного сердечника 5 и магнитом 8 введен регулируемый зазор 11 (фиг. 4).

В предлагаемом устройстве обеспечивается повышение чувствительности, помехоустойчивости, точности и диапазона измеряемых скоростей, простота и экономичность реализации, а также функциональная гибкость.

Список фигур чертежей

Фиг. 1. Блок-схема предлагаемого устройства по п. 1 формулы.

Фиг. 2. Вариант исполнения узла предлагаемого устройства по п. 5 формулы

Фиг. 3. Принципиальная схема предлагаемого устройства по п. 6 формулы.

Фиг. 4. Вариант исполнения узла предлагаемого устройства в по п. 7 формулы

На фиг. 1 - фиг. 4 приняты следующие обозначения:

1 - крыльчатка,

2 - лопасть крыльчатки 1,

3 - труба из немагнитного материала,

4 - катушка съема сигнала,

5 - U-образный сердечник из магнитомягкого материала,

6 - приемник,

7 - решающий блок,

8 - двухполюсный магнит,

9 - вставки из ферромагнитного материала,

10 - ось вращения магнита,

11 - регулируемый зазор.

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства по п. 1.

На фиг. 2 представлен вариант исполнения узла предлагаемого устройства по п. 5 формулы, где показано, что расстояния S1=S2 и торцы лопастей крыльчатки и U-образного сердечника из магнитомягкого материала одновременно достигают минимального расстояния между ними, параллельны друг другу и ограничены общей цилиндрической поверхностью, а между лопастями 2 крыльчатки 1 введены вставки 9 из ферромагнитного материала.

На фиг. 3 представлен вариант исполнения узла предлагаемого устройства по п. 6 формулы, где показано, что магнит 8 выполнен в виде диаметрально намагниченного диска, надетого на ось 9.

На фиг. 4 представлен вариант исполнения узла предлагаемого устройства по п. 7 формулы, где показано, что между торцом U-образного сердечника 5 и магнитом 8 введен регулируемый зазор 10.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Двухполюсный магнит 8 создает в U-образном сердечнике 5 магнитный поток, определяемый величиной магнитной индукции и сопротивлением зазора магнитопровода, зависящим от расстояния между концами U-образного сердечника 5. При прохождении лопасти 2 крыльчатки 1 в зоне полей рассеяния - между концами U-образного сердечника 5, магнитное сопротивление зазора магнитопровода падает и индукция поля в сердечнике возрастает. Соответственно, в катушке 4 формируется ЭДС индукции. Сигнал катушки усиливается приемником 6, и частота этих импульсов анализируется решающим блоком 7, который (при соответствующей тарировке) определяет выходной параметр устройства - расход жидкости в магистрали - трубе 3, которая сделана из немагнитного материала, чтобы не изменять картину силовых линий магнитного поля, чем повышается чувствительность устройства и его динамический диапазон.

Форма U-образного сердечника также обеспечивает повышение чувствительности устройства, его динамического диапазона и помехоустойчивости, поскольку рабочая зона пространства ограничена межполюсной областью сердечника. Кроме того, для внешней магнитной помехи размагничивающий фактор получается вдвое больше, чем для полезного сигнала, что также положительно сказывается на помехоустойчивости устройства. Кроме того, наводимые внешней помехой сигналы будут вычитаться в коленах сердечника, что также повышает помехоустойчивость устройства. И, соответственно, его чувствительность.

При этом расстояние между концами U-образного сердечника сделано меньше расстояния между лопастями крыльчатки, чтобы повысить четкость срабатывания порога приемника 6 и избежать интерференции сигналов двух соседних лопастей.

Двухполюсный магнит выполнен, например, в виде постоянного магнита, что упрощает устройство и улучшает его габаритные характеристики.

В одном из вариантов предлагаемого двухполюсный магнит выполнен в виде соленоида, размещенного на одном из колен U-образного сердечника и подключенного к регулируемому источнику тока. Этим обеспечивается возможность электронной регулировки параметров устройства, оптимизация его режима работы. Например, при работе в области малых расходов чувствительность устройства может быть повышена увеличением тока, питающего соленоид. Этим расширяется динамический диапазон работы устройства. Кроме того, может быть использован режим быстрого перемагничивания сердечника с высокодобротной узкополосной фильтрацией выходного сигнала катушки и его детектированием. Это дополнительно повышает помехоустойчивость и чувствительность устройства, расширяется диапазон измеряемых скоростей потока жидкости.

Максимальная чувствительность устройства реализуется, когда расстояние между концами U-образного сердечника совпадает с расстоянием между лопастями крыльчатки, торцы лопастей крыльчатки и колен U-образного сердечника в точке максимального сближения параллельны и конформны друг другу, т.е. ограничены общей цилиндрической поверхностью, а между лопастями крыльчатки введены вставки из ферромагнитного материала, как показано на фиг. 3. При этом реализуется максимальная скорость изменения потока в сердечнике 5 (при заданных и одинаковых сечениях торцов лопастей 2 и концов сердечника 5) и, соответственно, максимальное значение индуцируемой ЭДС индукции в катушке 4, т.к. магнитный зазор минимален и формируемая ЭДС, очевидно, максимальна. Действительно, минимальный зазор в этом случае сравним с расстоянием между торцами сердечника и лопасти, которое может быть сделано порядка единиц миллиметров, а максимальный - определяется разнесением колен сердечника друг от друга, т.е. величина на порядок больше. Известная кубическая зависимость магнитного поля диполя от расстояния, подтверждает справедливость высказанного утверждения о полученном положительном эффекте. Этим повышается помехоустойчивость устройства.

Также целесообразной представляется конструкция устройства, при которой двухполюсный магнит закреплен на оси вращения, перпендикулярной вектору намагниченности магнита и продольной оси одного из колен U-образного сердечника. Этим обеспечивается возможность плавной регулировки намагниченности сердечника для его вывода на оптимальный режим работы.

Эта же цель обеспечивается в конструкции устройства, при которой между торцом U-образного сердечника и магнитным элементом введен регулируемый зазор.

При этом, как следует из вышеизложенного, недостатки прототипа, действительно, преодолеваются - в предлагаемом устройстве обеспечивается:

- повышенный динамический диапазон измеряемого расхода,

- простота реализации, что обеспечивает также повышенную надежность и экономическую эффективность устройства, а также функциональную гибкость.

- высокая помехоустойчивость устройства к импульсным помехам, наряду с его высокой чувствительностью.

Как следует из вышеприведенного анализа, требуемый технический результат достигается за счет существенных отличий предлагаемого.

Проведенные эксперименты показали реализуемость предлагаемого объекта изобретения. Как следует из полученных экспериментальных данных, порог чувствительности предлагаемого устройства лежит в диапазоне скоростей потока жидкостей от 0.01 до 10 м/с.

Далее покажем, что технический результат и обеспечиваемый им положительный эффект обеспечивается за счет существенных отличий предлагаемого.

То, что устройство содержит крыльчатку с лопастями из ферромагнитного материала, размещенную в трубе из немагнитного материала, с наружной стороны трубы размещена катушка съема сигнала с U-образным сердечником из магнитомягкого материала, один вывод которой соединен с земляной шиной, а другой - с входом приемника, выход которого подключен к входу решающего блока, на выходе которого формируется выходной сигнал приемника, а у торца одного из колен U-образного сердечника, выполненного из магнитомягкого материала, размещен двухполюсный магнит, обеспечивает заявленный технический результат: повышение чувствительности, помехоустойчивости, точности и диапазона измеряемых скоростей. Действительно, крыльчатка с лопастями из ферромагнитного материала, размещенная в трубе из немагнитного материала, обеспечивает изменение магнитного потока через катушку, формируя ЭДС индукции, причем U-образность сердечника компенсирует внешнюю синфазную помеху, уменьшает ее влияние также за счет увеличения размагничивающего фактора. Кроме того, U-образность сердечника обеспечивает удвоение количества отсчетов. Кроме того, компактность полей рассеяния при этом также способствует достижению заявленного положительного эффекта.

То, что расстояние между концами U-образного сердечника не больше расстояния между лопастями крыльчатки, способствует компактности полей рассеяния и достижению заявленного положительного эффекта.

То, что двухполюсный магнит выполнен в виде постоянного магнита, обеспечивает простоту и экономичность реализации.

То, что двухполюсный магнит выполнен в виде соленоида, размещенного на одном из колен U-образного сердечника и подключенного к регулируемому источнику тока, позволяет адаптировать режим намагничивания к диапазону измеряемых скоростей, кроме того, допускает проверку контролепригодности без расстыковки кабельной сети, чем обеспечивается функциональная гибкость устройства.

То, что расстояние между концами U-образного сердечника совпадает с расстоянием между лопастями крыльчатки, торцы лопастей крыльчатки и колен U-образного сердечника в точке максимального сближения параллельны друг другу и ограничены общей цилиндрической поверхностью, а между лопастями крыльчатки введены вставки из ферромагнитного материала, позволяет максимально резко изменять намагниченность сердечника с соответствующим повышением амплитуды выходного сигнала.

То, что двухполюсный магнит закреплен на оси вращения, перпендикулярной вектору намагниченности магнита и продольной оси одного из колен U-образного сердечника, также повышает функциональную гибкость устройства, обеспечивая плавную регулировку намагниченности сердечника.

То, что между торцом U-образного сердечника и магнитным элементом введен регулируемый зазор, как и в предыдущем случае, повышает функциональную гибкость устройства, обеспечивая плавную регулировку намагниченности сердечника.

Таким образом показано, что заявленные положительный эффект и технический результат достигаются за счет существенных отличий предлагаемого устройства, приведенных в формуле изобретения.

Моделирование показало возможность достижения заявленного положительного результата в предлагаемом.

Изобретение относится к области средств для измерения скорости расхода жидких сред. Устройство для измерения расхода жидкости содержит крыльчатку с лопастями из ферромагнитного материала, размещенную в трубе из немагнитного материала, с наружной стороны трубы размещена катушка съема сигнала с U-образным сердечником из магнитомягкого материала, один вывод которой соединен с земляной шиной, а другой - с входом приемника, выход которого подключен к входу решающего блока, на выходе которого формируется выходной сигнал приемника, отличающееся тем, что у торца одного из колен U-образного сердечника, выполненного из магнитомягкого материала, размещен двухполюсный магнит. Технический результат - повышение чувствительности, помехоустойчивости, точности и диапазона измеряемых скоростей, простоты и экономичности реализации, а также функциональной гибкости. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для измерения расхода жидкости, содержащее крыльчатку с лопастями из ферромагнитного материала, размещенную в трубе из немагнитного материала, с наружной стороны трубы размещена катушка съема сигнала с U-образным сердечником из магнитомягкого материала, один вывод которой соединен с земляной шиной, а другой - с входом приемника, выход которого подключен к входу решающего блока, на выходе которого формируется выходной сигнал приемника, отличающееся тем, что у торца одного из колен U-образного сердечника, выполненного из магнитомягкого материала, размещен двухполюсный магнит.

2. Устройство для измерения расхода жидкости по п. 1, отличающееся тем, что расстояние между концами U-образного сердечника меньше расстояния между лопастями крыльчатки.

3. Устройство для измерения расхода жидкости по п. 1, отличающееся тем, что двухполюсный магнит выполнен в виде постоянного магнита.

4. Устройство для измерения расхода жидкости по п. 1, отличающееся тем, что двухполюсный магнит выполнен в виде соленоида, размещенного на одном из колен U-образного сердечника и подключенного к регулируемому источнику тока.

5. Устройство для измерения расхода жидкости по п. 1, отличающееся тем, что расстояние между концами U-образного сердечника совпадает с расстоянием между лопастями крыльчатки, торцы лопастей крыльчатки и колен U-образного сердечника в точке максимального сближения параллельны друг другу и ограничены общей цилиндрической поверхностью, а между лопастями крыльчатки введены вставки из ферромагнитного материала.

6. Устройство для измерения расхода жидкости по п. 1, отличающееся тем, что двухполюсный магнит закреплен на оси вращения, перпендикулярной вектору намагниченности магнита и продольной оси одного из колен U-образного сердечника.

7. Устройство для измерения расхода жидкости по п. 1, отличающееся тем, что между торцом U-образного сердечника и магнитным элементом введен регулируемый зазор.