Способ измерения расхода жидкого носителя, использующий эффект Кориолиса Российский патент 2023 года по МПК G01F1/80 

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к приборам измерения массового расхода жидких носителей.

Известно защищенное патентом изобретение - аналог: патент №2448330, МПК G01F 1/84, 2010 год «Способ обработки сигналов, устройство обработки сигналов и кориолисов расходомер» (Китами Хирокацу, Симада Хидеки). В кориолисовом расходомере детектируется разность фаз и/или частота вибрации, пропорциональная кориолисовой силе, действующей, по меньшей мере, на одну расходомерную трубку или пару расходомерных трубок, чтобы тем самым получать удельный массовый расход и/или плотность измеряемой текучей среды. Кориолисов расходомер включает в себя аналого-цифровые преобразователи для преобразования аналоговых сигналов, выводимых из датчиков скорости или датчиков ускорения, которые являются парой датчиков детектирования вибрации в цифровые сигналы, пару квадратурных частотных модуляторов для выполнения преобразования частоты для цифровых сигналов, которые соответствуют паре датчиков детектирования вибрации, модуль измерения частоты для измерения частоты на основе одного цифрового сигнала, выводимого из пары датчиков детектирования вибрации, и передающее устройство для формирования частотного сигнала, соответствующего θ(1-1/N) от цифрового сигнала частоты. Разность фаз получается на основе сигналов, сформированных посредством квадратурных частотных модуляторов. Технический результат - возможность измерения с постоянной точностью и с высокой производительностью фильтрации. Недостатком изобретения состоит в том, что применение изогнутой вибрирующей расходомерной трубки не позволяет организовать мононаправленное движение текучей среды, что ограничивает диапазон измерений расхода текучей среды.

Известно защищенное патентом изобретение - аналог: патент №2397445, МПК G01C 19/58, G01P 9/04, 2010 год «Чувствительный элемент гироскопа» (Грибкова Е.С., Лукьянов Д.П., Перегудов А.Н., Шевелько М.М.). Изобретение относится к области приборостроения, а именно к приборам ориентации, навигации и систем управления подвижными объектами, и предназначено для измерения угловой скорости. Чувствительный элемент гироскопа содержит твердотельный звукопровод, выполненный из материала с осью симметрии не ниже третьего порядка. На одном из торцов твердотельного звукопровода расположен преобразователь, излучающий акустические объемные поперечные волны. На другом конце твердотельного звукопровода расположен приемный преобразователь. Угол поляризации между излучающим и приемным преобразователями выбирается близким к 90° из условия максимального ослабления сигнала от излучаемой поперечной волны. В распространяющейся в звукопроводе поперечной волне при наличии его вращения на колеблющиеся частицы действует сила Кориолиса, в результате чего появляется вторичная компонента поперечной волны, имеющая ортогональную поляризацию относительно излучаемой волны, которая регистрируется. Возникающий при этом сигнал пропорционален скорости вращения. Изобретение позволяет упростить конструкцию и снизить влияние технологических погрешностей на стабильность работы устройства, а также повысить чувствительность. Акустические объемные поперечные волны образуются в результате гармонических колебаний кристаллической структуры твердотельного звукопровода, т.е. однонаправленное движение среды при одновременном вращении звукопровода, что и приводит к формированию силы Кориолиса, в данном случае отсутствует. Данное обстоятельство является недостатком изобретения и ограничивает диапазон измерений.

Известно защищенное патентом изобретение - аналог: патент №2237869, МПК G01F 1/84, 2004 год «Расходомер с использованием эффекта Кориолиса для больших массовых расходов с уменьшенными габаритами» (Крисфилд Мэтью Т., Мак Карти Джон Ричард). Каждая из двух расходных труб расходомера с использованием эффекта Кориолиса, приводимых в колебание посредством привода, между своими входным и выходным концами имеет форму дуги полуокружности. Датчики закреплены на дугах труб в положении, позволяющем определить наибольшую величину силы Кориолиса при низкой амплитуде колебаний. Вблизи концов труб к последним прикреплены скрепляющие пластины. Для соединения с основным трубопроводом к концам расходных труб прикреплены входной и выходной патрубки, связанные распорной деталью, к верхней стороне которой прикреплен ограждающий расходные трубы кожух. Изобретение, благодаря уменьшенному размеру устройства, может быть использовано в ограниченном пространстве и имеет повышенную точность измерения. Недостаток изобретения является низкая амплитуда колебаний расходомерной трубки для получения полезного сигнала, что ограничивает диапазон измерений.

Известно защищенное патентом изобретение - аналог: патент №2047001, МПК F03G 3/08, 1995 год «Способ передвижения транспортного средства и устройство для его осуществления» (Михайлов А.И.). Изобретение относится к способу передвижения транспортных средств на воде, земле, под водой, в космическом пространстве. В предлагаемом способе инерционно-импульсные элементы перемещают под действием центробежных сил и сил Кориолиса в диаметральных направлениях. Инерционно-импульсным элементом может быть твердое тело, например шар, жидкое тело, например ртуть. Устройство для передвижения транспортного средства содержит корпус, наковальню, привод, полый маховик, установленный на корпусе, два шара, размещенных в маховике, штоки и перегородку для фиксирования шаров против штоков. При сообщении вращательного движения инерционно-импульсному преобразователю, выполненному в виде полого маховика с диаметральной разделительной перегородкой, в каждой половине которого размещен инерционно-импульсный элемент в виде шаров с ударно-импульсными элементами, состоящими из штоков, шары приобретают центробежную силу. Кинетическая энергия при ударном взаимодействии наковальни и штока передается одному из шаров и всей конструкции для сообщения однонаправленного требуемого движения. Фиксируясь перегородкой и действием центробежной силы, оба шара давят на толкатели. Для устранения поворота корпуса в противоположную сторону по отношению вращения маховика на корпусе устанавливают второй инерционно-импульсный преобразователь с вращением его в противоположном направлении от отдельного привода. Во время прекращения движения шара в диаметральном направлении к центробежной силе присоединяется противодействующая центростремительная сила. Во время движения шара в диаметральном направлении как к центру вращения, так и от центра вращения на шар как инерционно-импульсный элемент действуют центробежные силы и силы Кориолиса. При этом шар приобретает действие одинарной центробежной силы, всегда стремящейся переместить его от центра вращения к периферии. На этом действии основано однонаправленное движение предлагаемых способа и устройства. Недостаток предлагаемого способа состоит в том, что движение шаров происходит по сложной возвратно-поступательной траектории, и суммарное по траектории значение сил Кориолиса оказывает малый вклад в достижение положительного эффекта, подтвержденного выданным патентом.

Известно защищенное патентом изобретение - прототип: патент №2182695, МПК G01F 1/80, 2000 год «Массовый расходомер, использующий эффект Кориолиса, с одним ротором, имеющим гибкий чувствительный элемент, и способ эксплуатации этого расходомера» (Ван Клив Крэйг Брайнерд, Лавинг Роджер Скотт). Расходомер на эффекте Кориолиса содержит узел ротора, размещенный в корпусе и имеющий центральную ось вращения. Узел ротора включает в себя множество радиальных каналов, каждый из которых проходит от внешней окружности узла ротора к центральной полости узла ротора на выход расходомера. Узел ротора вращается вокруг центральной оси по мере прохождения материала по каналам. Силы Кориолиса, генерируемые текущим материалом и одновременным вращением ротора, заставляют отклониться гибкие элементы, являющиеся частью лопаток узла ротора. Тензодатчики или измерительные катушки и магниты генерируют выходные сигналы, указывающие на величину углового отклонения и на массовый расход материала. Двигатель, соединенный с узлом ротора, может вращать ротор с повышенной скоростью и позволяет использовать расходомер как насос, который генерирует входные сигналы, указывающие на расход насоса. Устройство имеет простую конструкцию и мало подвержено повреждениям, вызванным абразивными или агрессивными материалами, за счет исключения из конструкции расходомера подшипников и торсионного вала. Недостатком изобретения является невозможность организации мононаправленного прохождения текущего материала по каналам внутри вращающейся конструкции, что ограничивает диапазон измерений.

Целью предполагаемого изобретения является расширение диапазона измерений массового расхода жидкого носителя.

Указанная цель достигается в заявляемом способе измерения расхода жидкого носителя, использующем эффект Кориолиса. Согласно способу внутри корпуса размещают узел ротора с центральным валом вращения и множеством радиальных каналов от внешней окружности узла ротора к центральной полости узла ротора. Узел ротора изготовляют из двух соосных цилиндров, скрепленных торцевыми крышками. Радиальные каналы располагают в одной плоскости. Внутренний цилиндр закрепляют на горизонтальном валу, который монтируют в подшипниках вращения, установленных в замкнутом корпусе, охватывающем узел ротора с минимальным зазором и имеющим два отверстия в плоскости радиальных каналов вдоль горизонтальной линии, проходящей через ось вращения. К отверстиям подключают гибкие трубопроводы. Расход жидкого носителя измеряют динамометром, нагруженным корпусом и узлом ротора.

Обоснование реализуемости и практической значимости заявляемого способа заключается в следующем.

Схема реализации способа для измерения массового расхода жидкого носителя на основе эффекта Кориолиса, представлена на фигуре 1. Внутри корпуса (1) размещают узел ротора (2) с центральным валом вращения (3) и множеством радиальных каналов (4) от внешней окружности узла ротора к центральной полости узла ротора. Узел ротора (2), выполняют из двух соосных цилиндров, скрепленных торцевыми крышками, и вращают относительно оси, расположенной горизонтально. Жидкий носитель (5) под давлением поступает по гибкому трубопроводу (6) к входному отверстию в корпусе (1), который изготовлен в виде внешней неподвижной цилиндрической замкнутой обоймы вместе с установочной площадкой. Отверстия корпуса расположены в плоскости сквозных радиальных каналов. При совпадении положения каналов с положением отверстий корпуса жидкий носитель продвигаться по сопряженным радиальным каналам (4) в горизонтальном направлении, проходит через выходное отверстие корпуса, и продолжает движение в гибком трубопроводе. Вращение узла ротора (2) происходит за счет крепления (7) внутреннего цилиндра на горизонтальном валу (3). Горизонтальный вал закреплен в подшипниках (8), которые установлены в корпусе, охватывающем узел ротора с минимальным зазором. Горизонтальный вал приводится в движение механизмом вращения. Динамометр (9), установленный на неподвижном основании (10), нагружают узлом ротора и корпусом в виде внешней неподвижной цилиндрической обоймы вместе с установочной площадкой. Гибкие трубопроводы, по которым жидкий носитель протекает к/от отверстиям/отверстий корпуса, не препятствуют вертикальным перемещениям динамометра.

В моменты совпадения отверстий радиальных каналов с отверстиями корпуса жидкий носитель совершает периодическое однонаправленное движение внутри вращающегося узла ротора. Направление движения жидкости ортогонально оси вращения ротора, что сопровождается формированием сил Кориолис в двух сопряженных радиальных каналах, расположенных горизонтально. В каждом из сопряженных каналов силы Кориолиса действуют вдоль вертикали в одном направлении вверх или вниз в зависимости от направления вращения узла ротора. Их усилие через горизонтальный вал передается корпусу и далее динамометру. Показания динамометра пропорциональны силам Кориолиса и, следовательно, массе жидкого носителя в горизонтально расположенных каналах, скорости горизонтального перемещения жидкого носителя и угловой скорости вращения узла ротора. Вариация указанных параметров обеспечивает широкий диапазон регулировки показаний динамометра. Точность измерений расхода жидкого носителя определяется калибровкой динамометра и зависит от соотношения между весом корпуса с узлом ротора и суммой сил Кориолиса.

Минимальный зазор между корпусом и узлом ротора снижает утечки жидкого носителя, минуя радиальные каналы, что способствует повышению точности измерений расхода жидкого носителя.

В процессе вращения радиальные каналы узла ротора заполнены жидким носителем. Последовательный сброс жидкого носителя из очередных горизонтальных каналов может сопровождаться вибрацией механического устройства. Частота вибраций пропорциональна числу каналов и угловой скорости вращения узла ротора. С ростом скорости протекания жидкого носителя по каналам струя жидкого носителя приобретает упругость, и пересечения струи на срезе отверстий корпуса и радиальных каналов также способствуют развитию вибраций. В качестве возможного способа снижения влияния вибраций на показания динамометра может быть рассмотрено увеличение угловой скорости вращения узла ротора и соответственно частоты вибраций так, чтобы она намного превышала частоту собственных колебаний анализируемой механической системы в целом.

В процессе вращения на частицы жидкого носителя в радиальных каналах, действует центробежная сила инерции, которая вынуждает их двигаться от центра к периферии. В результате во входном канале возникает давление, препятствующее подаче жидкого носителя в узел ротора. Данный эффект парируется повышением давления подачи жидкого носителя по трубопроводу на вход узла ротора.

При пересечении струй жидкого носителя на входах/выходах радиальных каналов возникают моменты сил, которые препятствуют процессу вращения. Указанное обстоятельство парируется увеличением мощности двигателя, вращающего вал, на котором закреплен узел ротора.

Таким образом, техническая возможность реализации, практическая значимость и положительный эффект заявляемого способа измерения расхода жидкого носителя, использующего эффект Кориолиса, не вызывают сомнений.

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к приборам измерения массового расхода жидких носителей. Способ измерения расхода жидкого носителя, использующий эффект Кориолиса, заключается в том, что внутри корпуса размещают узел ротора с центральным валом вращения и множеством радиальных каналов от внешней окружности узла ротора к центральной полости узла ротора. Узел ротора изготовляют из двух соосных цилиндров, скрепленных торцевыми крышками. Радиальные каналы располагают в одной плоскости. Внутренний цилиндр закрепляют на горизонтальном валу, который монтируют в подшипниках вращения, установленных в замкнутом корпусе. Корпус охватывает узел ротора с минимальным зазором и имеет два отверстия в плоскости радиальных каналов вдоль горизонтальной линии, проходящей через ось вращения. К отверстиям подключают гибкие трубопроводы. Расход жидкого носителя измеряют динамометром, нагруженным корпусом и узлом ротора. Технический результата - расширение диапазона измерений массового расхода жидкого носителя. 1 ил.

Способ измерения расхода жидкого носителя, использующий эффект Кориолиса, согласно которому внутри корпуса размещают узел ротора с центральным валом вращения и множеством радиальных каналов от внешней окружности узла ротора к центральной полости узла ротора, причем узел ротора изготовляют из двух соосных цилиндров, скрепленных торцевыми крышками, радиальные каналы располагают в одной плоскости, внутренний цилиндр закрепляют на горизонтальном валу, который монтируют в подшипниках вращения, установленных в замкнутом корпусе, охватывающем узел ротора с минимальным зазором и имеющем два отверстия в плоскости радиальных каналов вдоль горизонтальной линии, проходящей через ось вращения, к отверстиям подключают гибкие трубопроводы, расход жидкого носителя измеряют динамометром, нагруженным корпусом и узлом ротора.