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

Изобретение относится к 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 индукционного 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 индукционном топливомере-расходомере, содержащем указатель со шкалой и стрелкой, кремальеру, датчик мгновенного расхода топлива, редуктор, храповик и преобразователь импульсов, содержащий мостовой выпрямитель 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, к наружной стороне которого жестко прикрепляют индукционный датчик, состоящий из закрытого крышкой постоянного магнита с обмоткой, подключенной ко входу мостового выпрямителя преобразователя импульсов, при этом корпус датчика мгновенного расхода топлива выполняют из диамагнитного материала в виде полого фланца с возможностью установки в разрыв трубопровода между фланцами трубопровода и имеющим внутреннюю кольцевую выточку, которая выполняется с входным и выходным раструбами, при этом 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 диамагнитного материала в виде полого фланца, устанавливаемого в разрыв трубопровода между фланцами трубопровода, установка 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 и выходного раструбов внутренней кольцевой выточки, установка внутренних лопастей 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 жестко закрепляемым к наружной стороне корпуса датчика мгновенного расхода топлива индукционным датчиком, состоящим из закрытых крышкой постоянного магнита с обмоткой, позволяют обеспечить герметичность датчика мгновенного расхода топлива, предотвратить течь топлива в месте взаимодействия внешних зубцов турбины кольцевой формы с подключенной ко входу мостового выпрямителя преобразователя импульсов обмоткой, намотанной на постоянный магнит и, соответственно, повысить надежность суммирующего индукционного топливомера-расходомера в целом.

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 также 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 диамагнитного материала в виде полого фланца с внутренней кольцевой выточкой 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 этой выточки, установленными под острым углом к направлению движения потока прокачиваемого по трубопроводу топлива внутренними лопастями, внутренний диаметр которых выполняют равным 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 индукционного 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 индукционный топливомер-расходомер (фиг. 1) содержит указатель 4 со шкалой 5 и стрелкой 6, кремальеру 9, датчик мгновенного расхода топлива (фиг. 2), редуктор 8, храповик 11 и преобразователь импульсов, содержащий мостовой выпрямитель 1 и усилитель импульсов 2, вход которого подключен к выходу мостового выпрямителя 1, а выход - к обмотке управления шаговым электромагнитом 3, якорь которого связан с собачкой 13 храповика 11. Вал храповой шестерни 12 храповика 11 сочленен с входным валом 10 редуктора 8. На выходном валу 7 редуктора 8 установлена стрелка 6 указателя 4.

Датчик мгновенного расхода топлива (фиг. 2) содержит корпус 20, к наружной стороне которого жестко прикреплен индукционный датчик, состоящий из закрытого крышкой 27 постоянного магнита 14 с обмоткой 18, подключенной ко входу мостового выпрямителя 1 преобразователя импульсов. Корпус 20 датчика мгновенного расхода топлива выполнен из диамагнитного материала в виде полого фланца с возможностью установки в разрыв трубопровода 26 между фланцами 25 и 21 трубопровода 26 и имеет внутреннюю кольцевую выточку 24. Внутренняя кольцевая выточка 24 выполнена с входным 19 и выходным 23 раструбами. Во внутренней кольцевой выточке 24 посредством радиально-упорных подшипников 22 установлена турбина кольцевой формы с внутренними лопастями 17, равномерно распределенными на внутренней поверхности несущего кольца 16 турбины под острым углом к направлению движения потока прокачиваемого по трубопроводу топлива, и внешними зубцами 15, равномерно распределенными на внешней поверхности несущего кольца 16 турбины (фиг. 2, 3). Внешние зубцы 15 выполнены из ферромагнитного материала (например, из электротехнической стали). Торцевые участки внутренних лопастей 17 скошены и повторяют форму входного 19 и выходного 23 раструбов внутренней кольцевой выточки 24. Внутренний диаметр внутренних лопастей 17 D_Лвн (фиг. 3) выполнен равным внутреннему диаметру D_Твн трубопровода 26 (фиг. 2), в разрыв которого устанавливают корпус 20 датчика мгновенного расхода топлива.

Суммирующий индукционный 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 26 со скоростью V определяется по формуле:

где ρ_т - плотность топлива; V - скорость прокачиваемого по трубопроводу 26 топлива; S - площадь поперечного сечения трубопровода 26.

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 26 топлива непосредственно измеряется путем измерения угловой скорости ω турбины кольцевой формы с внутренними лопастями 17, равномерно распределенными на внутренней поверхности несущего кольца 16 турбины под острым углом к направлению движения потока прокачиваемого по трубопроводу 26 топлива, и внешними зубцами 15, равномерно распределенными на внешней поверхности несущего кольца 16 турбины, установленной во внутренней кольцевой выточке 24 посредством радиально-упорных подшипников 22.

Поток прокачиваемого по трубопроводу 26 топлива обтекает внутреннюю поверхность турбины, и, проходя через входной 19 и выходной 23 раструбы внутренней кольцевой выточки 24, воздействует на внутренние лопасти 17, торцевые участки которых скошены и повторяют форму входного 19 и выходного 23 раструбов, приводя турбину во вращение.

Угловая скорость со вращения турбины пропорциональна скорости V потока прокачиваемого по трубопроводу 26 топлива и, следовательно, величине Q мгновенного расхода топлива:

где К₁, К₂ - коэффициенты пропорциональности.

При вращении турбины, установленной во внутренней кольцевой выточке 24 посредством радиально-упорных подшипников 22, внешние зубцы 15, выполненные из ферромагнитного материала (например, из электротехнической стали) периодически приближаются к закрытому крышкой 27 постоянному магниту 14 с обмоткой 18, жестко прикрепленному к наружной стороне корпуса 20 датчика мгновенного расхода топлива, выполненного из диамагнитного материала в виде полого фланца, установленного в разрыв трубопровода 26 между его фланцами 21 и 25. Вследствие этого в обмотке 18 индукционного датчика индуцируется ЭДС. Частота следования импульсов напряжения, снимаемых с обмотки 18 индукционного датчика, соответствует частоте прохождения внешних зубцов 15 мимо постоянного магнита 14 и зависит от угловой скорости ω вращения турбины, которая в свою очередь пропорциональна массовому расходу топлива Q, протекающего через сечение S трубопровода 26 со скоростью V (формулы 1 и 2).

Зависимость частоты следования импульсов напряжения от угловой скорости вращения турбины определяется соотношением:

где ƒ - частота, Гц; z - число зубцов; ω - угловая скорость вращения турбины, рад/сек; n - частота вращения турбины, об/мин.

Напряжение, снимаемое с обмотки 18 индукционного датчика, выпрямляется мостовым выпрямителем 1 и подается на вход усилителя импульсов 2, который преобразует это напряжение в импульсы прямоугольной формы постоянной длительности и амплитуды, необходимые для управления шаговым электромагнитом 3 (фиг. 1).

Импульсы прямоугольной формы с выхода усилителя импульсов 2 поступают на обмотку управления шагового электромагнита 3. При каждом импульсе якорь шагового электромагнита 3 с помощью собачки 13 храповика 11 поворачивает храповую шестерню 12 на один зуб. Поворот храповой шестерни 12, сочлененной с входным валом 10 редуктора 8, вызывает поворот стрелки 6 указателя 4, установленной на выходном валу 7 редуктора 8.

Перед началом измерения стрелку 6 указателя 4 посредством кремальеры 9 устанавливают по шкале 5 при полной заправке топливного бака на отметку Q_max, поэтому суммирующий индукционный топливомер-расходомер в процессе работы показывает оставшееся в баке количество топлива.

Таким образом, совокупность представленных признаков позволяет улучшить эксплуатационно-технические характеристики предлагаемого суммирующего индукционного 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 индукционный топливомер-расходомер содержит указатель со шкалой и стрелкой, кремальеру, датчик мгновенного расхода топлива, редуктор, храповик и преобразователь импульсов, содержащий мостовой выпрямитель 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, к наружной стороне которого жестко прикреплен индукционный датчик, состоящий из закрытого крышкой постоянного магнита с обмоткой, подключенной ко входу мостового выпрямителя преобразователя импульсов, при этом корпус датчика мгновенного расхода топлива выполнен из диамагнитного материала в виде полого фланца с возможностью установки в разрыв трубопровода между фланцами трубопровода и имеет внутреннюю кольцевую выточку, которая выполнена с входным и выходным раструбами, при этом 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. 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 индукционный топливомер-расходомер, содержащий указатель со шкалой и стрелкой, кремальеру, датчик мгновенного расхода топлива, редуктор, храповик и преобразователь импульсов, содержащий мостовой выпрямитель 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, к наружной стороне которого жестко прикреплен индукционный датчик, состоящий из закрытого крышкой постоянного магнита с обмоткой, подключенной ко входу мостового выпрямителя преобразователя импульсов, при этом корпус датчика мгновенного расхода топлива выполнен из диамагнитного материала в виде полого фланца с возможностью установки в разрыв трубопровода между фланцами трубопровода и имеет внутреннюю кольцевую выточку, которая выполнена с входным и выходным раструбами, при этом 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 индукционный топливомер-расходомер по п. 1, отличающийся тем, что внешние зубцы выполнены из электротехнической стали.