Суммирующий индуктивный топливомер-расходомер Российский патент 2023 года по МПК G01F1/75 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения объемного расхода топлива в процессе работы технологических и транспортных машин.

Известен суммирующий расходомер (Кашин, Я.М. Авиационные приборы и пилотажно-навигационные комплексы. Часть 2. Элементы авиационных приборов и систем // Я.М. Кашин, А.А. Гузеев, А.В. Захарин, А.Е. Князев. // Краснодар: Краснодарское ВВАУЛ, 2020. - 196 с: с. 83-84), содержащий крыльчатку, устанавливаемую в трубопроводе, редуктор, червячную передачу, магнитную муфту, стальной сердечник, мостовую схему, три плеча которой образованы катушкой постоянной индуктивности, а четвертое плечо - катушкой переменной индуктивности, тиратронный преобразователь, шаговый электромагнит и указатель со шкалой и стрелкой.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является суммирующий расходомер (Авиационные приборы. Учебник, под общ. ред. С.С.Дорофеева // М.: Военное издательство, 1992, 496 с: стр. 232-234), содержащий указатель со шкалой и стрелкой, кремальеру, датчик мгновенного расхода топлива, редуктор, храповик, индуктивный датчик, выполненный на мостовой схеме, первое и второе плечи которой образованы обмотками трансформатора, третье плечо образовано катушкой постоянной индуктивности, а четвертое плечо - катушкой переменной индуктивности, и преобразователь импульсов, содержащий мостовой выпрямитель, подключенный к выходу мостовой схемы индуктивного датчика, и усилитель импульсов, вход которого подключен к выходу мостового выпрямителя, а выход - к обмотке управления шаговым электромагнитом, якорь которого связан с собачкой храповика, вал храповой шестерни которого сочленен с входным валом редуктора, на выходном валу которого установлена стрелка указателя, при этом датчик мгновенного расхода топлива содержит крыльчатку, червячную передачу и стальной сердечник.

Недостатками расходомеров, принятых за аналог и прототип, а также других широко распространенных расходомеров подобной конструкции являются:

- сложная конструкция и технологии изготовления датчика мгновенного расхода топлива,

- низкая надежность расходомера, вызванная наличием механической червячной передачи вращения от чувствительного элемента (крыльчатки) к элементу, преобразующему механическую энергию вращения в электрический сигнал (датчику мгновенного расхода топлива). Такая конструкция приводит к износу трущихся частей этой механической передачи. Кроме того, наличие вышеуказанной механической передачи вызывает необходимость герметизации трубопроводной части датчика расходомера.

Кроме того, установка внутри трубопровода топливной магистрали крыльчатки датчика мгновенного расхода топлива и червячной передачи в описанных выше расходомерах уменьшает полезное сечение трубопровода и замедляет скорость подачи топлива. В связи с этим возникают непроизводственные потери энергии, затрачиваемой на прокачку топлива по трубопроводу.

Задачей предлагаемого изобретения является усовершенствование суммирующего индуктивного топливомера-расходомера, позволяющее улучшить его эксплуатационно-технические характеристики.

Технический результат заявленного изобретения - упрощение конструкции и технологии изготовления датчика мгновенного расхода топлива и повышение надежности топливомера-расходомера.

Технический результат достигается тем, что в суммирующем индуктивном топливомере-расходомере, содержащем указатель со шкалой и стрелкой, кремальеру, датчик мгновенного расхода топлива, редуктор, храповик, индуктивный датчик, выполненный на мостовой схеме, первое и второе плечи которой образованы вторичными обмотками трансформатора, третье плечо образовано обмоткой катушки постоянной индуктивности, а четвертое плечо - обмоткой катушки переменной индуктивности, и преобразователь импульсов, содержащий мостовой выпрямитель, подключенный к выходу мостовой схемы индуктивного датчика, и усилитель импульсов, вход которого подключен к выходу мостового выпрямителя, а выход - к обмотке управления шаговым электромагнитом, якорь которого связан с собачкой храповика, вал храповой шестерни которого сочленен с входным валом редуктора, на выходном валу которого установлена стрелка указателя, при этом датчик мгновенного расхода топлива содержит корпус, выполненный из неферромагнитного материала в виде полого фланца с возможностью установки в разрыв трубопровода между фланцами трубопровода, и имеющий внутреннюю и наружную кольцевые выточки, при этом в наружной кольцевой выточке устанавливают закрытый крышкой ферромагнитный сердечник с обмоткой катушки переменной индуктивности, а внутреннюю кольцевую выточку выполняют с входным и выходным раструбами, во внутренней кольцевой выточке посредством радиально-упорных подшипников устанавливают турбину кольцевой формы с внутренними лопастями, равномерно распределенными на внутренней поверхности несущего кольца турбины под острым углом к направлению движения потока прокачиваемого по трубопроводу топлива, и внешними зубцами, равномерно распределенными на внешней поверхности несущего кольца турбины, при этом внешние зубцы выполняют из ферромагнитного материала (например, из электротехнической стали), а торцевые участки внутренних лопастей выполняют скошенными и повторяющими форму входного и выходного раструбов внутренней кольцевой выточки, при этом внутренний диаметр внутренних лопастей выполняют равным внутреннему диаметру трубопровода, в разрыв которого устанавливают корпус датчика мгновенного расхода топлива,.

Выполнение корпуса датчика мгновенного расхода топлива из неферромагнитного материала в виде полого фланца, устанавливаемого в разрыв трубопровода между фланцами трубопровода, установка посредством радиально-упорных подшипников во внутренней кольцевой выточке турбины кольцевой формы с равномерно распределенными на внутренней поверхности несущего кольца турбины внутренними лопастями, торцевые участки которых скошены и повторяют форму входного и выходного раструбов внутренней кольцевой выточки, при этом внутренние лопасти устанавливают под острым углом к направлению движения потока прокачиваемого по трубопроводу топлива, и выполненными из ферромагнитного материала, например из электротехнической стали, равномерно распределенными на внешней поверхности несущего кольца турбины внешними зубцами, не имеющей механической связи с устанавливаемым в наружной кольцевой выточке закрытого крышкой ферромагнитным сердечником с обмоткой катушки переменной индуктивности ферромагнитным сердечником с обмоткой катушки переменной индуктивности, позволяют обеспечить герметичность датчика мгновенного расхода топлива, предотвратить течь топлива в месте взаимодействия внешних зубцов турбины кольцевой формы с обмоткой

Установка турбины кольцевой формы во внутренней кольцевой выточке с входным и выходным раструбами посредством радиально-упорных подшипников без червячной передачи обеспечивает ей свободное вращение, снижает износ трущихся деталей ввиду уменьшения их количества. Это обеспечивает упрощение конструкции датчика мгновенного расхода топлива, упрощение технологии его изготовления: нет необходимости устанавливать и центрировать внутри трубопровода элементы механической передачи энергии вращения от чувствительного элемента (крыльчатки) к элементу, преобразующему механическую энергию вращения в электрический сигнал (датчику мгновенного расхода топлива.

Кроме того, предлагаемая конструкция топливомера-расходомера позволяет снизить потери энергии, затрачиваемой на прокачку топлива по трубопроводу. Это обеспечивается тем, что корпус датчика мгновенного расхода топлива выполняют из неферромагнитного материала в виде полого фланца с внутренней и наружной кольцевыми выточками и с возможностью установки в разрыв трубопровода. При этом внутреннюю кольцевую выточку выполняют с входным и выходным раструбами. Установка во внутренней кольцевой выточке турбины кольцевой формы со скошенными, повторяющими форму входного и выходного раструбов внутренней кольцевой выточки и установленными под острым углом к направлению движения потока прокачиваемого по трубопроводу топлива внутренними лопастями, внутренний диаметр которых равен внутреннему диаметру трубопровода, обеспечивает беспрепятственное прохождение топлива по трубопроводу. Это позволяет уменьшить сопротивление чувствительного элемента датчика мгновенного расхода топлива (турбины) потоку топлива, а, следовательно, снизить потери энергии, затрачиваемой на прокачку топлива по трубопроводу.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого индуктивного суммирующего топливомера-расходомера с турбиной кольцевой формы в разрезе (вид А-А), на фиг .2 - общий вид датчика мгновенного расхода топлива, установленного в разрыв трубопровода, в разрезе, на фиг. 3 - турбина кольцевой формы в разрезе (вид спереди).

Суммирующий индуктивный топливомер-расходомер (фиг. 1) содержит указатель 8 со шкалой 9 и стрелкой 10, кремальеру 13, датчик мгновенного расхода топлива (фиг. 2), редуктор 12, храповик 15, индуктивный датчик 4, выполненный на мостовой схеме, первое и второе плечи которой образованы вторичными обмотками 1 с индуктивностью L1 и 3 с индуктивностью L2 трансформатора 2, третье плечо образовано обмоткой 18 катушки постоянной индуктивности L3, а четвертое плечо - обмоткой 23 катушки переменной индуктивности L4, намотанной на ферромагнитный сердечник 19, и преобразователь импульсов, содержащий мостовой выпрямитель 5, подключенный к выходу мостовой схемы индуктивного датчика 4, и усилитель импульсов 6, вход которого подключен к выходу мостового выпрямителя 5, а выход - к обмотке управления шаговым электромагнитом 7, якорь которого связан с собачкой 17 храповика 15, вал храповой шестерни 16 которого сочленен с входным валом 14 редуктора 12, на выходном валу 11 которого установлена стрелка 10 указателя 8.

Датчик мгновенного расхода топлива (фиг. 2) содержит корпус 26, выполненный из неферромагнитного материала в виде полого фланца с возможностью установки в разрыв трубопровода 24 между фланцами 27 и 32 трубопровода 24, и имеющий внутреннюю 30 и наружную 31 кольцевые выточки. Внутренняя кольцевая выточка 30 выполнена с входным 25 и выходным 29 раструбами. Во внутренней кольцевой выточке 30 посредством радиально-упорных подшипников 28 установлена турбина (фиг. 3) кольцевой формы с внутренними лопастями 22, равномерно распределенными на внутренней поверхности несущего кольца 21 турбины кольцевой формы под острым углом к направлению движения потока прокачиваемого по трубопроводу 24 топлива, и внешними зубцами 20, равномерно распределенными на внешней поверхности несущего кольца 21 турбины кольцевой формы. Внешние зубцы 20 выполнены из ферромагнитного материала, например из электротехнической стали, а торцевые участки внутренних лопастей 22 скошены и повторяют форму входного 25 и выходного 29 раструбов внутренней кольцевой выточки 30. Внутренний диаметр D_Лвн внутренних лопастей 22 (фиг. 3) выполнен равным внутреннему диаметру D_Твн трубопровода 24 (фиг. 2), в разрыв которого между фланцами 27 и 32 установлен корпус 26 датчика мгновенного расхода топлива, а в наружной кольцевой выточке 31 установлен закрытый крышкой 33 ферромагнитный сердечник 19 с обмоткой 23 катушки переменной индуктивности L4.

Суммирующий индуктивный топливомер-расходомер работает следующим образом.

Измерение суммарного расхода топлива сводится к интегрированию по времени значений мгновенного расхода. Значения мгновенного расхода топлива дискретизируются, поэтому интегрирование сводится к суммированию импульсов за определенное время.

Для измерения мгновенного расхода топлива в предлагаемом топливомере-расходомере применен скоростной метод, когда о расходе судят по скорости потока прокачиваемого по трубопроводу топлива.

Мгновенный массовый расход Q топлива, прокачиваемого через сечение S трубопровода 24 со скоростью V определяется по формуле:

Q=ρ_TSV, (1)

где ρ_Т - плотность топлива; V - скорость прокачиваемого по трубопроводу 24 топлива; S - площадь поперечного сечения трубопровода 24.

Из формулы (1) видно, что измерение расхода топлива Q можно свести к измерению скорости потока V. В свою очередь скорость V потока прокачиваемого по трубопроводу 24 топлива непосредственно измеряется путем измерения угловой скорости со турбины кольцевой формы с внутренними 22 лопастями, равномерно распределенными на внутренней поверхности несущего кольца 21 турбины кольцевой формы под острым углом к направлению движения потока прокачиваемого по трубопроводу 24 топлива, и внешними зубцами 20, равномерно распределенными на внешней поверхности несущего кольца 21 турбины кольцевой формы, установленной во внутренней кольцевой выточке 30 посредством радиально-упорных подшипников 28.

Поток прокачиваемого по трубопроводу 24 топлива обтекает внутреннюю поверхность турбины, и, проходя через входной 25 и выходной 29 раструбы внутренней кольцевой выточки 30, воздействует на внутренние лопасти 22, торцевые участки которых скошены и повторяют форму входного 25 и выходного 29 раструбов внутренней кольцевой выточки 30, приводя турбину во вращение.

Угловая скорость вращения ω турбины пропорциональна скорости V потока прокачиваемого по трубопроводу 24 топлива и, следовательно, величине Q мгновенного расхода топлива:

ω=К₁V или ω=К₂Q, (2)

где К₁, К₂ - коэффициенты пропорциональности.

При вращении турбины, установленной во внутренней кольцевой выточке 30 посредством радиально-упорных подшипников 28, внешние лопасти 20 периодически приближаются к закрытому крышкой 33 ферромагнитному сердечнику 19 с обмоткой 23 катушки переменной индуктивности L4, установленному в наружной кольцевой выточке 31 выполненного из неферромагнитного материала в виде полого фланца корпуса 26 датчика мгновенного расхода топлива, который устанавливают в разрыв трубопровода 24 между его фланцами 27 и 32. При этом индуктивность L4 катушки переменной индуктивности, обмотка 23 которой образует четвертое плечо мостовой схемы индуктивного датчика 4, изменяется с периодичностью, пропорциональной угловой скорости со вращения турбины.

При изменении индуктивности L4 катушки переменной индуктивности равновесие мостовой схемы индуктивного датчика 4, первое и второе плечи которой образованы вторичными обмотками 1 и 3 трансформатора 2, третье плечо образовано обмоткой 18 катушки постоянной индуктивности L3, а четвертое плечо - обмоткой 23 катушки переменной индуктивности L4, нарушается, и на ее измерительной диагонали появляется напряжение с частотой питающего напряжения. Это напряжение выпрямляется мостовым выпрямителем 5 и подается на вход усилителя импульсов 6, который преобразует это напряжение в импульсы прямоугольной формы постоянной длительности и амплитуды, необходимые для управления шаговым электромагнитом 7. Частота следования этих импульсов определяется периодичностью изменения индуктивности L4 катушки переменной индуктивности, которая в свою очередь определяется угловой скоростью ω вращения турбины, которая в свою очередь пропорциональна массовому расходу топлива Q, протекающего через сечение S трубопровода 24 со скоростью V (формула 2).

Импульсы прямоугольной формы с выхода усилителя импульсов 6 поступают на обмотку управления шагового электромагнита 7. При каждом импульсе якорь шагового электромагнита 7 с помощью собачки 17 храповика 15 поворачивает храповую шестерню 16 на один зуб. Поворот храповой шестерни 16, сочлененной с входным валом 14 редуктора 12, вызывает поворот стрелки 10 указателя 8, установленной на выходном валу 11 редуктора 12.

Перед началом измерения стрелку 10 указателя 8 посредством кремальеры 13 устанавливают по шкале 9 при полной заправке топливного бака на отметку Q_max, поэтому суммирующий индуктивный топливомер-расходомер в процессе работы показывает оставшееся в баке количество топлива.

Таким образом, совокупность представленных признаков позволяет улучшить эксплуатационно-технические характеристики предлагаемого индуктивного топливомера-расходомера за счет упрощения конструкции и технологии изготовления датчика мгновенного расхода топлива и повышения надежности топливомера-расходомера.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения объемного расхода топлива в процессе работы технологических и транспортных машин. Суммирующий индуктивный топливомер-расходомер содержит указатель со шкалой и стрелкой, кремальеру, датчик мгновенного расхода топлива, редуктор, храповик, индуктивный датчик, выполненный на мостовой схеме, первое и второе плечи которой образованы вторичными обмотками трансформатора, третье плечо образовано обмоткой катушки постоянной индуктивности, а четвертое плечо - обмоткой катушки переменной индуктивности, и преобразователь импульсов, содержащий мостовой выпрямитель, подключенный к выходу мостовой схемы индуктивного датчика, и усилитель импульсов, вход которого подключен к выходу мостового выпрямителя, а выход - к обмотке управления шаговым электромагнитом, якорь которого связан с собачкой храповика, вал храповой шестерни которого сочленен с входным валом редуктора, на выходном валу которого установлена стрелка указателя. При этом датчик мгновенного расхода топлива содержит корпус, выполненный из неферромагнитного материала в виде полого фланца с возможностью установки в разрыв трубопровода между фланцами трубопровода и имеющий внутреннюю и наружную кольцевые выточки, при этом в наружной кольцевой выточке установлен закрытый крышкой ферромагнитный сердечник с обмоткой катушки переменной индуктивности, а внутренняя кольцевая выточка выполнена с входным и выходным раструбами, во внутренней кольцевой выточке посредством радиально-упорных подшипников установлена турбина кольцевой формы с внутренними лопастями, равномерно распределенными на внутренней поверхности несущего кольца турбины под острым углом к направлению движения потока прокачиваемого по трубопроводу топлива, и внешними зубцами, равномерно распределенными на внешней поверхности несущего кольца турбины, при этом внешние зубцы выполнены из ферромагнитного материала, а торцевые участки внутренних лопастей скошены и повторяют форму входного и выходного раструбов внутренней кольцевой выточки, при этом внутренний диаметр внутренних лопастей выполнен равным внутреннему диаметру трубопровода, в разрыв которого устанавливают корпус датчика мгновенного расхода топлива. Внешние зубцы выполнены из электротехнической стали. Технический результат - упрощение конструкции и технологии изготовления датчика мгновенного расхода топлива и повышение надежности топливомера-расходомера. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Суммирующий индуктивный топливомер-расходомер, содержащий указатель со шкалой и стрелкой, кремальеру, датчик мгновенного расхода топлива, редуктор, храповик, индуктивный датчик, выполненный на мостовой схеме, первое и второе плечи которой образованы вторичными обмотками трансформатора, третье плечо образовано обмоткой катушки постоянной индуктивности, а четвертое плечо - обмоткой катушки переменной индуктивности, и преобразователь импульсов, содержащий мостовой выпрямитель, подключенный к выходу мостовой схемы индуктивного датчика, и усилитель импульсов, вход которого подключен к выходу мостового выпрямителя, а выход - к обмотке управления шаговым электромагнитом, якорь которого связан с собачкой храповика, вал храповой шестерни которого сочленен с входным валом редуктора, на выходном валу которого установлена стрелка указателя, отличающийся тем, что датчик мгновенного расхода топлива содержит корпус, выполненный из неферромагнитного материала в виде полого фланца с возможностью установки в разрыв трубопровода между фланцами трубопровода и имеющий внутреннюю и наружную кольцевые выточки, при этом в наружной кольцевой выточке установлен закрытый крышкой ферромагнитный сердечник с обмоткой катушки переменной индуктивности, а внутренняя кольцевая выточка выполнена с входным и выходным раструбами, во внутренней кольцевой выточке посредством радиально-упорных подшипников установлена турбина кольцевой формы с внутренними лопастями, равномерно распределенными на внутренней поверхности несущего кольца турбины под острым углом к направлению движения потока прокачиваемого по трубопроводу топлива, и внешними зубцами, равномерно распределенными на внешней поверхности несущего кольца турбины, при этом внешние зубцы выполнены из ферромагнитного материала, а торцевые участки внутренних лопастей скошены и повторяют форму входного и выходного раструбов внутренней кольцевой выточки, при этом внутренний диаметр внутренних лопастей выполнен равным внутреннему диаметру трубопровода, в разрыв которого устанавливают корпус датчика мгновенного расхода топлива.

2. Суммирующий индуктивный топливомер-расходомер по п. 1, отличающийся тем, что внешние зубцы выполнены из электротехнической стали.