Изобретение относится к измерению расхода текучих сред и предназначено для измерения расхода сильнополярных диэлектрических жидкостей.
Известен поляризационный расходомер, содержащий диэлектрический корпус прямоугольной формы, электроды, установленные на двух противоположных стенках корпуса, источник питания и измерительный прибор, включенный между одним из электродов и общей шиной /1/. Принцип действия расходомера основан на измерении суммы токов проводимости и токов поляризации, которые появляются за счет поля связанных зарядов в движущейся сильнополярной диэлектрической жидкости. Токи поляризации создают электрическое поле поляризации, которое ослабляет внешнее поле, создаваемое источником питания. Разницу этих токов, зависящую от расхода измеряемой жидкости, и фиксирует измерительный прибор.
Доминирующей поляризационной компонентой в расходомере /1/ является продольная (вдоль оси диэлектрического корпуса прямоугольной формы), которая пропорциональна первой производной скорости измеряемой жидкости вдоль продольной оси.
Недостатком такого расходомера является низкая чувствительность, обусловленная теоретически полной взаимокомпенсацией продольной поляризационной компоненты в межэлектродном промежутке проточной части. И заявленная (защищенная) чувствительность измерения расхода в аналоге /1/ обусловлена чисто технологической несимметрией распределения продольной компоненты скорости вдоль продольной оси в межэлектродном промежутке проточной части, в связи с чем полной взаимокомпенсации продольной поляризационной компоненты не наблюдается.
Известен поляризационный расходомер, содержащий металлический цилиндрический корпус, входной канал, ось которого перпендикулярна оси металлического корпуса, рабочий и измерительный электрод в форме сегмента сферы, укрепленные на изолирующих втулках, расположенных на торцевых поверхностях корпуса, образующие с его внутренними боковыми стенками проточную часть, источник питания для подачи напряжения на рабочий электрод и измерительный прибор, включенный между измерительным электродом и землей /2/.
Доминирующей поляризационной компонентой в расходомере /2/ является поперечная (перпендикулярная оси металлического цилиндрического корпуса), которая пропорциональна первой производной ортогональной компоненте полного вектора скорости измеряемой жидкости вдоль продольной оси.
Недостатком такого расходомера является низкая чувствительность, обусловленная теоретически полной взаимокомпенсацией ортогональной поляризационной компоненты в межэлектродном промежутке проточной части. И заявленная (защищенная) чувствительность измерения расхода в аналоге /2/ обусловлена чисто технологической несимметрией распределения ортогональной компоненты скорости вдоль ортогональной оси в межэлектродном промежутке проточной части, в связи с чем полной взаимокомпенсации ортогональной поляризационной компоненты не наблюдается.
Прототипом заявленного изобретения является устройство для измерения расхода жидких сред, содержащее цилиндрический корпус, входной канал, ось которого перпендикулярна оси корпуса, рабочий и измерительный электроды укрепленных на изолирующих втулках образующих с внутренними боковыми стенками корпуса проточную часть, низковольтный источник питания для подачи напряжения на рабочий электрод и измерительный прибор, включенный между измерительным электродом и землей /3/.
Доминирующей поляризационной компонентой в расходомере /3/ является продольная (вдоль оси цилиндрического корпуса), которая пропорциональна первой производной скорости измеряемой жидкости вдоль продольной оси.
Недостатком такого расходомера является низкая чувствительность, обусловленная теоретически полной взаимокомпенсацией продольной поляризационной компоненты в межэлектродном промежутке проточной части. И заявленная (защищенная) чувствительность измерения расхода в прототипе /3/ обусловлена чисто технологической несимметрией распределения продольной компоненты скорости вдоль продольной оси в межэлектродном промежутке проточной части, в связи с чем полной взаимокомпенсации продольной поляризационной компоненты не наблюдается.
Технический результат, создаваемый изобретением - увеличение чувствительности датчика расхода.
Указанный результат достигается тем, что в устройстве для измерения расхода, содержащем входной и выходной каналы, цилиндрический корпус, ось которого перпендикулярна оси входного и выходного каналов, рабочий и измерительный электроды, укрепленные на торцевых изолирующих втулках корпуса, проточную часть, образованную внутренними боковыми стенками корпуса и торцевыми изолирующими втулками, низковольтный источник питания для подачи напряжения на рабочий электрод, измерительный прибор, включенный между измерительным электродом и землей, электроды имеют форму сегмента диска с углом разворота не более 180° и укреплены на торцевых изолирующих втулках строго симметрично относительно оси входного и выходного каналов с равным удалением от одного из каналов.
Положительным эффектом при осуществлении заявляемого технического решения будет увеличение чувствительности датчика расхода.
Предлагаемое устройство для измерения расхода приведено на фиг. 1 а, 1 б.
Устройство для измерения расхода содержит корпус 1, рабочий электрод 2, измерительный электрод 3, входной 4 и выходной 5 каналы, торцевые изолирующие втулки корпуса 6 и 7, проточную часть 8. Проточная часть 8 образована внутренними боковыми стенками корпуса 1 и торцевыми изолирующими втулками корпуса 6 и 7 с укрепленными на них электродами 3 и 4.
Схема для подключения устройства для измерения расхода приведена на фиг. 2.
На рабочий электрод 2 подается напряжение 20-60 B от источника 9. Измерительный прибор 10, которым является миллиамперметр, подключенный к измерительному электроду 3, заземляется.
Статическая характеристика устройства для измерения расхода приведена на фиг. 3.
Работа устройства для измерения расхода осуществляется следующим образом. Рабочий поток жидкости подается в устройство по входному каналу 4, ось которого перпендикулярна оси цилиндрического корпуса 1. Далее поток попадает в проточную часть 8 устройства. Проточная часть 8 образована поверхностями рабочего 2 и измерительного 3 электродов, которые укреплены на торцевых изолирующих втулках 6 и 7 и внутренними стенками корпуса 1. От источника управляющего напряжения 9 подают напряжение порядка 60 B на рабочий электрод 2. Под действием внешнего электрического поля диэлектрическая сильнополярная жидкость поляризуется, молекулы диэлектрика будут ориентироваться вдоль силовых линий поля, создавая при этом внутреннее электрическое поле, которое направлено противоположно внешнему полю и ослабляет его.
Анализ гидродинамики и электростатики прототипа /3/ показывает, что устройство основано на измерении тока, континуальная плотность которого может быть представлена в виде (Фиг. 4а, б, в):
,
где jz - проекция вектора плотности полного тока в межэлектродном промежутке проточной части на вертикальную ось z, А/м2;
ρe - объемная плотность заряда, которая создает ток проводимости между электродами, Кл/м3;
b - коэффициент подвижности зарядов в среде, м/Вс;
Ez - напряженность электрического поля вдоль оси z в континууме межэлектродного промежутка, В/м;
Vy - проекции вектора скорости измеряемой среды на ось y, м/с;
Pz - проекции вектора поляризации электрического поля в континууме межэлектродного промежутка на ось z, Кл/м2 (напомним, что Pz=χε0Ez, где - χ диэлектрическая восприимчивость диэлектрика, 1; ε0 - электрическая постоянная, ; Ez - напряженность электрического поля в континууме межэлектродного промежутка, В/м).
Проанализируем (1).
1) Компонента ρebEz является основой тока проводимости между электродами. Она тем больше, чем больше ρe (загрязненность жидкости) и Ez (напряжение между электродами , где d - расстояние между электродами, м), тем больше ток проводимости, который в «чистом» виде измеряется между электродами при отсутствии расхода измеряемой жидкости.
2) Компонента . Первый сомножитель компонента скорости Vy является в проточной части доминирующим, однако второй сомножитель по всей проточной части практически равен нулю, поскольку напряженность электростатического поля Ez по всей проточной части при плоскопараллельных электродах постоянна (Ez = const).
3) Компонента . На Фиг.4 б приведено континуальное распределение компоненты скорости Vy по каждой точке проточной части межэлектродного промежутка. Первая частная производная этой скорости по координате y (вдоль оси входного и выходного каналов)
В предлагаемом техническом решении этот недостаток исключен принципиально (Фиг. 4, в): электроды имеют форму сегмента диска с углом разворота не более 180° и укреплены на торцевых изолирующих втулках строго симметрично относительно оси входного и выходного каналов с равным удалением от одного из каналов. Таким образом, при работе устройства используется одна из двух взаимокомпенсирующихся поляризационных компонент, которая фиксируется электродами - полудисками (в частности, сектора 2+3 на Фиг. 4 в). Именно этот факт и является причиной увеличения чувствительности измерения расхода в заявляемом техническом устройстве по сравнению с прототипом /3/.
На фиг. 3 приведены статические характеристики устройств для измерения расхода (кривая 1 для прототипа /3/, кривая 2 - для заявляемого технического решения).
Условия проведения экспериментов: измеряемая среда - питьевая водопроводная вода при температуре 20°C; напряжение на рабочем электроде 60 B; расстояние между электродами 5 мм; диаметр электродов 30 мм; материал электродов - алюминий.
Из приведенных статических характеристик видно, что при заданной геометрии устройства рабочим метрологическим диапазоном измерения расхода является диапазон 0-15 см3/с, где наблюдается линейность статических характеристик с максимальной чувствительностью (крутизной). Уменьшение чувствительности при увеличении расхода более 15 см3/с объясняется, скорее всего, возникновением переходного режима в проточной части: от ламинарного к турбулентному с возникновением вихрей, которые, как известно, снижают поляризационные эффекты в сильнополярных диэлектрических жидкостях (вода ε=81, глицерин ε=43, спирт ε=26).
График статической характеристики прототипа /3/ (кривая 1, фиг.4 б) проходит выше, чем у заявляемого технического решения (кривая 2, фиг.4 б), что объясняется снижением ровно в 2 раза площади каждого из электродов в заявляемом техническом решении.
На метрологически обоснованном диапазоне измерения расхода (0-15 см3/с) чувствительность (крутизна) статической характеристики прототипа /3/ (кривая 1, фиг. 4 б) составляет 6,66 мА/(см3/с), чувствительность (крутизна) статической характеристики заявленного технического решения (кривая 2, фиг. 4 б) составляет 8,33 мА/(см3/с).
Если же взять метрологически эффективный диапазон измерения расхода (0-5 см3/с), чувствительность (крутизна) статической характеристики прототипа /3/ (кривая 1, фиг. 4 б) составляет 10,0 мА/(см3/с), чувствительность (крутизна) статической характеристики заявленного технического решения (кривая 2, фиг. 4 б) составляет 20 мА/(см3/с).
Таким образом, технико-экономические преимущества предлагаемого технического решения перед прототипом /3/ очевидны.
Заявляемое техническое решение может быть реализовано и путем сложения секторов 4+5 (фиг. 5 а). Чувствительность измерения расхода останется такой же, как и в случае сложения секторов 2+3 (фиг. 5 б), что описано выше.
Источники информации
1. А.с. СССР 1553830 – аналог.
2. Патент РФ 2130590 – аналог.
3. Патент РФ 2148798 – прототип.
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ЖИДКИХ СРЕД | 1997 |
|
RU2148798C1 |
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ЖИДКИХ СРЕД | 1997 |
|
RU2130590C1 |
ГИДРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ РАСХОДА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЖИДКОСТИ | 1987 |
|
RU2044281C1 |
ПАРЦИАЛЬНЫЙ РАСХОДОМЕР | 2018 |
|
RU2670212C1 |
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ПОТОКА РАДИОАКТИВНОГО ГАЗА И ПЛОТНОСТИ ИОНИЗАЦИИ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 1999 |
|
RU2149410C1 |
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ РАСХОДОВ | 1997 |
|
RU2144175C1 |
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ЖИДКОЙ СРЕДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 2013 |
|
RU2561251C2 |
Устройство для измерения расхода диэлектрических жидкостей | 1987 |
|
SU1789863A1 |
Способ электрогидродинамической обработки вязких жидкостей, эмульсий, суспензий и устройство для его осуществления | 2022 |
|
RU2796856C1 |
Устройство для измерения скорости течения жидкости | 1981 |
|
SU976382A1 |
Изобретение относится к измерению расхода текучих сред и предназначено для измерения расхода сильнополярных диэлектрических жидкостей. Устройство содержит входной и выходной каналы, цилиндрический корпус, ось которого перпендикулярна оси входного и выходного каналов, рабочий и измерительный электроды, укрепленные на торцевых изолирующих втулках корпуса, проточную часть, образованную внутренними боковыми стенками корпуса и торцевыми изолирующими втулками. Низковольтный источник питания соединен с рабочим электродом. Между измерительным электродом и землей включен измерительный прибор. Электроды имеют форму сегмента диска с углом разворота не более 180° и укреплены на торцевых изолирующих втулках строго симметрично относительно оси входного и выходного каналов с равным удалением от одного из каналов. Устройство обладает повышенной чувствительностью. 5 ил.
Устройство для измерения расхода, содержащее входной и выходной каналы, цилиндрический корпус, ось которого перпендикулярна оси входного и выходного каналов, рабочий и измерительный электроды, укрепленные на торцевых изолирующих втулках корпуса, проточную часть, образованную внутренними боковыми стенками корпуса и торцевыми изолирующими втулками, низковольтный источник питания для подачи напряжения на рабочий электрод, измерительный прибор, включенный между измерительным электродом и землей, отличающееся тем, что электроды имеют форму сегмента диска с углом разворота не более 180° и укреплены на торцевых изолирующих втулках строго симметрично относительно оси входного и выходного каналов с равным удалением от одного из каналов.
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ЖИДКИХ СРЕД | 1997 |
|
RU2148798C1 |
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ЖИДКИХ СРЕД | 1997 |
|
RU2130590C1 |
US 20110297844 A1, 08.12.2011 | |||
ИЗМЕРЕНИЕ МНОГОФАЗНОГО ПОТОКА В ТРУБОПРОВОДЕ | 2000 |
|
RU2243510C2 |
RU 99103759 A, 20.12.2000. |
Авторы
Даты
2017-03-28—Публикация
2015-04-03—Подача