Шариковый расходомер электропроводной жидкости Российский патент 2024 года по МПК G01F1/05 

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в расходометрии электропроводных жидкостей в химической, пищевой и фармацевтической промышленности, в жилищно-коммунальном хозяйстве, тепло- и электроэнергетике, в счетчиках количества теплоты с водяной системой теплоснабжения.

Особенно перспективно использование заявленного шарикового расходомера электропроводной жидкости (далее ШРЭЖ) при необходимости регистрации предельно малых расходов жидкости и в очень широком динамическом диапазоне измерения, когда известные электромагнитные, турбинные, вихревые или кориолисовые расходомеры использоваться не могут.

Все известные конструкции шариковых расходомеров объединяет, во-первых, использование тангенциального или винтового потоконаправляющего аппарата и шара, изготовленного из ферромагнитного материала либо диэлектрика, имеющего возможность вращаться в кольцевом канале, во-вторых, применение того или иного способа преобразования угловой скорости вращения шара в частоту выходного импульсного напряжения.

Технические и эксплуатационные характеристики шариковых расходомеров должны соответствовать «Общим техническим условиям» [Расходомеры тахометрические шариковые ГСП, ГОСТ 14012-76, издательство стандартов, 1984 г.].

Известны шариковые первичные преобразователи расхода жидкостей, в которых используется магнитоиндукционный датчик частоты вращения шарика, выполненного из ферромагнитного материала [Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Справочник. 4-е изд. Л.: Машиностроение, 1989-701 с.].

Известен шариковый преобразователь расхода [патент RU 2253843 C1, MПK G01F 1/06,опубл. 10.06.2005 г.], состоящий из корпуса немагнитного материала, ограничительной втулки, раскрытой кольцевой полости с шаром и узла съема сигнала.

Известен шариковый расходомер [а.с. SU 1591618 A1, MПK G01F 1/06, G01F 1/10, опубл. 27.05.1988 г.], состоящий из корпуса с входными и выходными патрубками. Внутри корпуса коаксиально расположены стержень-вытеснитель и ограничивающий кольцевой элемент, который образует в корпусе непроточную полость с размещенным в ней шаром. Последняя сообщена с проточной частью кольцевой щелью. В зоне размещения шара на корпусе расположен узел съёма сигнала. Для приведения во вращение шара служит струенаправляющее устройство, выполненное в виде тангенциальных каналов, расположенных в кольцевом выступе, размещенном на торце ограничительного кольцевого элемента со стороны проточной части корпуса.

Известен шариковый расходомер [а.с. SU1117448 А, МПК G01F 1/06, опубл. 07.10.1984 г.], содержащий измерительный участок трубопровода с размещённым в нём первичным преобразователем, состоящим из цилиндрического корпуса с кольцевым каналом, струенаправляющего аппарата, струевыпрямителя и шарика, сужающего устройства, установленного соосно перед первичным преобразователем и каналом для перепуска для части потока, а также узел съема электрического сигнала.

Во всех конструкциях вышеперечисленных шариковых преобразователей расхода жидкости в импульсный электрический выходной сигнал имеются недостатки, обусловленные использованием ферромагнитного шарика и магнитоиндукционного датчика:

- при прохождении ферромагнитного шарика рядом с магнитопроводом магнитоиндукционного датчика происходит его примагничивание (притягивание) и при небольшом расходе жидкости - его прилипание, что обуславливает нелинейность статической характеристики и значительный порог чувствительности в области низких расходов;

- при горизонтальном положении преобразователя, поскольку ферромагнитный шарик относительно веса вытесненной жидкости тяжёлый, то есть обладает отрицательной плавучестью, наблюдается непостоянство скорости вращения шарика в пределах одного оборота, которое нарастает при уменьшении скорости вращения, что в итоге ещё больше искажает статическую характеристику первичного преобразователя;

- очень сильная зависимость выходного сигнала магнитоиндукционного датчика от частоты вращения шарика;

- использование тяжёлого ферромагнитного шарика и применение магнитоиндукционного способа формирования выходного импульсного сигнала резко снижает динамический диапазон измерения расхода жидкости и увеличивает погрешность измерения расхода жидкости . В частности, серийно выпускаемые шариковые первичные преобразователи «Шторм-8А» и «Шторм-32М»,внесённые в Государственный реестр средств измерений под №5706-08, имеют узкий рабочий диапазон (4÷6) и большую погрешность измерения (1,5 - 2,5%), согласно ТУ 4213-865-00225555-2007.

Известен электронно-оптический шариковый первичный преобразователь расхода жидкости [патент RU 2548055 С1, MПK G01F 1/06, опубл. 10.04.2015 г.] в двух вариантах конструкции, состоящий из корпуса с кольцевым каналом, в котором свободно может вращаться шарик, струенаправляющего аппарата и узла формирования выходного электрического сигнала, причём для формирования выходного электрического (частотного или число-импульсного) сигнала используется светоизлучатель и фотоприёмник, связанные между собой прямой оптической и обратной положительной электронными связями. Но этот тип шарикового первичного преобразователя расхода жидкости пригоден для измерения расхода только прозрачных жидкостей.

Известен радио-шариковый первичный преобразователь расхода жидкости [патент RU 2685798 С1, MПK G01F 1/05, опубл. 23.04.2019 г.], отличающийся тем, что шарик выполнен пустотелым, во внутренней полости которого размещены индуктивность в виде нескольких пространственно расположенных витков электропровода и конденсатор, включенные последовательно и в кольцо с резонансной частотой, равной частоте автоколебаний индуктивно-ёмкостного генератора с индуктивностью, расположенной близко к кольцевому каналу, напряжение на которой после детектирования амплитудным детектором является выходным электрическим сигналом.

Известен шариковый первичный преобразователь расхода электропроводной жидкости [патент RU№2471154 С1, МПК G01F 1/05, 27.12.2012 г., бюл. №36], состоящий из цилиндрического корпуса с кольцевым каналом, в котором свободно может вращаться шарик, неподвижного струенаправляющего аппарата и узла съёма электрического сигнала, отличающийся от шарикового первичного преобразователя расхода жидкости с магнитоиндукционным датчиком и ферромагнитным шариком тем, что шарик выполнен из диэлектрического материала с нулевой плавучестью в жидкости, а в области кольцевого канала, перпендикулярно траектории качения шарика, через проходные изоляторы и заподлицо с поверхностью канала расположены два электрода, благодаря чему преобразователь работоспособен при низких расходах жидкости и в горизонтальном положении корпуса. Но в этой конструкции преобразователя не учитывается влияние угловой скорости вращения жидкости в кольцевом канале на подвижность положительных и отрицательных ионов жидкости, что снижает динамический диапазон измерения и увеличивает погрешность преобразования расхода жидкости в выходной сигнал.

Известен шариковый первичный преобразователь расхода электропроводной жидкости [патент RU 2566428 С1, МПК G01F 1/06, опубл. 27.10.2015 г., бюл. №30], состоящий из корпуса, выполненного из диалектического материала, с кольцевым каналом, струенаправляющего аппарата и узла формирования выходного электрического сигнала, в котором используется диэлектрический шарик с нулевой плавучестью в жидкости, в кольцевом канале и в плоскости качения шарика установлены три электрода, из которых средний электрод подключен к выходу операционного усилителя, а два других электрода соединены с инвертирующим и неинвертирующим входами того же операционного усилителя, чтобы электрические сопротивления жидкости между средним и двумя другими электродами вместе с двумя вспомогательными резисторами образовывали отрицательную и положительную обратные связи, охватывающие операционный усилитель и управляемых вращающимся шариком.

Известен шариковый расходомер электропроводной жидкости [патент RU 2762946 С1, МПК G01F 1/05, опубл. 24.12.2021 г., бюл. №36], состоящий из цилиндрического корпуса, соосно установленного в него винтообразного струенаправляющего аппарата с ступицей, кольцевого канала между ступицей и внутренней поверхностью корпуса, шара, который может вращаться в кольцевом канале, выполненного из диэлектрического материала и имеющего нулевую плавучесть в жидкости, четырех электродов, установленных в вершинах квадрата, два из которых, находящихся вдоль направления движения жидкости с шаром, соединены с общей шиной схемы, два других электрода присоединены к инвертирующему и неинвертирующему входам однопорогового компаратора.

В этой конструкции расходомера при больших расходах жидкости и, следовательно, больших скоростях движения шара относительно электродов достигается подавление влияния изменения подвижности ионов электропроводной жидкости на выбранный режим работы электронной схемы. Этот эффект позволяет увеличить динамический диапазон измерения расхода жидкости и уменьшить погрешность преобразования расхода жидкости в импульсный выходной сигнал.

Недостатком данного расходомера является невозможность сохранения его работоспособности при предельно низких расходах жидкости, при которых частота вращения шара в кольцевом канале не превышает единицы Герц. Например, при частоте вращения шара 1 Гц компаратор (или операционный усилитель, функционирующий как компаратор входных синфазных напряжений) будет продолжительное время находиться в линейном режиме работы, что свидетельствует, во первых, о неимпульсной форме выходного напряжения расходомера, во-вторых, о чувствительности электронной части расходомера к электрическим и электромагнитным помехам, так как во входных цепях компаратора находятся высокоомные сопротивления жидкости. В реальных условиях эксплуатации шариковых расходомеров основным источником электрических и электромагнитных помех является силовая электрическая сеть 220 (380) В, 50 Гц, выходное напряжение будет представлять собой непрерывный поток квазиимпульсного напряжения с частотой 50 Гц. Выбор компаратора (или операционного усилителя) с очень большим коэффициентом усиления по напряжению с целью уменьшения длительности фронтов выходного напряжения приводит к еще большей помеховосприимчивости электронной части расходомера.

Наиболее близким по назначению и принципу действия, заключающемуся в применении в электрической схеме положительной обратной связи, можно принять шариковый расходомер электропроводной жидкости [патент RU 2777291C1, МПК G01F 1/05, опубл. 02.08.2022 г., бюл. №22], состоящий из цилиндрического корпуса, винтообразного потоконаправляющего аппарата, кольцевого канала и шара с нулевой плавучестью в жидкости, изготовленных из диэлектрического материала, отличающийся тем, что его электронная схема содержит два операционных усилителя, на которых реализованы два инвертирующих сумматора напряжений, входы которых соединены с источником опорного напряжения и выходом смежного сумматора, благодаря чему сумматоры напряжений взаимосвязаны двумя положительными обратными связями.

В этом шариковом расходомере электропроводной жидкости не предусмотрена установка начального режима работы электронной схемы, когда шар находится на максимальном расстоянии от зоны электродов Э1, Э2, Э3 и Э4. Фиксация начального режима работы потребует применения резистивного потенциометра между электродами Э3 и Э4 и присоединения источника опорного напряжения к его подвижному контакту. Поэтому последовательно с сопротивлениями жидкости и будут включены пассивные резисторы, что уменьшит коэффициент относительного изменения сопротивления жидкости и, следовательно, ограничит работоспособность расходомера при низких расходах жидкости, тем более при низкой ее электропроводности.

К недостатку электрической схемы этого шарикового расходомера следует отнести невозможность подключения блокировочных конденсаторов с целью гарантированного подавления влияния электрических и электромагнитных помех на качество выходного импульсного напряжения.

Задачей изобретения является расширение областей промышленного производства и социальной сферы экономики использования шариковых расходомеров электропроводной жидкости, улучшение их метрологических и эксплуатационных характеристик.

Технический результат - увеличение динамического диапазона измерения, обеспечение работоспособности расходомера при очень низких расходах жидкости с гарантированным подавлением влияния электрических и электромагнитных помех в реальных условиях эксплуатации расходомера.

Поставленная задача и технический результат достигаются в шариковом расходомере электропроводной жидкости, состоящем из цилиндрического корпуса, винтообразного потоконаправляющего аппарата, шара с нулевой плавучестью в жидкости и кольцеобразного канала, образованного между внутренней поверхностью корпуса и ступицей, которые изготовлены из диэлектрического материала, четырёх электродов и электронного преобразователя частоты вращения шара в частоту выходного импульсного напряжения, в котором в отличие от прототипа электронный преобразователь содержит два управляемых источника тока на полевых транзисторах с изолированным затвором и индуцированными каналами p-типа проводимости, включенными последовательно с сопротивлениями жидкости между электродами, управляемых напряжениями стоков смежных транзисторов, к которым подключены конденсаторы.

Сущность изобретения поясняется чертежами на Фиг. 1 и Фиг. 2.

На Фиг. 1 показана конструкция гидромеханической части шарикового расходомера, которая не имеет принципиальных отличий от конструкции прототипа. На Фиг. 1 обозначены: 1 - корпус расходомера, 2 - винтообразный потоконаправляющий аппарат, 3 - ступица, 4 - шар в кольцевом канале. Траектория лопастей потоконаправляющего аппарата выполнена таким образом, чтобы минимизировать турбулентность жидкости при максимальном её расходе.

На Фиг. 2 представлена электрическая схема преобразователя частоты вращения шара в кольцевом канале в частоту выходного импульсного напряжения , включающая в себя четыре электрода Э1, Э2, Э3 и Э4, сопротивления жидкости и между электродами Э1, Э4 и Э2, Э3 соответственно, клеммы и для подключения источника электропитания, и клемму «Вых», с которой снимается выходное импульсное напряжение относительно общей шины схемы .

Последовательно с сопротивлениями жидкости и включены источники тока на полевых p-канальных транзисторах с изолированными затворами и , выходные токи стоков которых задаются напряжениями на затворах этих транзисторов относительно их истоков.

В представленной схеме напряжения на затворах транзисторов и относительно общей шины электропитания равны падениям напряжения на сопротивлениях и при протекании через них токов стоков транзисторов и . Это позволяет утверждать, что при увеличении напряжения , когда шар оказывается между электродами Э1 и Э4 и увеличивается сопротивление , напряжение на затворе транзистора относительно его истока снижается, значит уменьшается ток стока этого транзистора, поскольку , где - крутизна проходной характеристики полевого транзистора, [].

Если шар находится между электродами Э2 и Э3, сопротивление жидкости между ним и падение напряжения на нём будет больше, а напряжение на затворе полевого транзистора относительного его истока станет меньше, поэтому ток стока транзистора и падение напряжения на сопротивлении жидкости будет меньше.

Таким образом, в рассматриваемой схеме при движении шара в кольцевом канале увеличение напряжения вызывает уменьшение напряжения , а увеличение напряжения приводит к снижению напряжения . Это явление свидетельствует о существовании положительной взаимосвязи источников тока и на полевых транзисторах и в отношении разности напряжений .

Действительно, если напряжение возрастёт, то напряжение снизится и их разность (дифференциальное напряжение) будет положительной и большей по величине, чем в схеме прототипа. Если же напряжение возрастёт, то благодаря положительной взаимосвязи источников тока, напряжение снизится и разность напряжений будет отрицательной и большей по величине, чем в схеме прототипа без взаимосвязанных источников тока.

Выполним количественную оценку эффективности заявленной электрической схемы ШРЭЖ. Для получения простых и наглядных количественных соотношений и расчётных формул примем идентичность параметров полевых транзисторов и и равенство расстояния между электродами Э1, Э4 и Э2, Э3 и, следовательно сопротивлений жидкости и , когда шар находится в кольцевом канале на максимальном расстоянии от зоны электродов Э1, Э2, Э3 и Э4. Тогда подвижный электрод резистивного потенциометра будет находиться в середине резистора и разделит его на две равные части. Если принять , то обе его части будут иметь сопротивление .

Из электрической схемы на Фиг. 2 следует очевидное соотношение: ток стока транзистора и ток стока транзистора , в которых напряжения на затворах транзисторов и. Эти соотношения позволяют вычислить токи стоков транзисторов и :

где - крутизна проходных характеристик полевых транзисторов принята одинаковой, как в согласованной паре интегральных полевых транзисторов.

Синфазные напряжения на электродах Э1 и Э2 и , поэтому

Решая эту систему линейных уравнений относительно синфазных напряжений и , получаем:

Дифференциальное напряжение найдется как разность (3) и (4):

Из соотношения (5) следует, что недопустимо равенство , так это ведет к неконтролируемому возрастанию дифференциального напряжения ().

Решая уравнение относительно сопротивления , находим недопустимое соотношение этого сопротивления с сопротивлением известной жидкости:

или

так как в схеме ШРЭЖ в начальном состоянии схемы, когда шар находится далеко от зоны электродов Э1, Э2, Э3 и Э4, сопротивления жидкости между электродами Э1, Э4 и Э2, Э3 одинаковы, .

Например, пусть сопротивление , , тогда недопустимо сопротивление .

В начальном состоянии схемы на Фиг. 2, согласно формул (3) и (4) синфазные напряжения:

Например, при напряжении электропитания , типовом значении крутизны проходной характеристики полевого транзистора с изолированным затвором и сопротивлениях , что не является недопустимым соотношением (6), получим из (7) . Это синфазное напряжение на входе операционного усилителя с однополярным питанием считается рекомендуемым.

Рассчитаем эффективность заявленной схемы в виде коэффициента , который показывает во сколько раз дифференциальное напряжение заявленной схемы больше дифференциального напряжения мостовой схемы прототипа при равных режимах работы.

Пусть в обеих схемах сопротивление жидкости между электродами изменяется на при прохождении шара в зоне электродов Э1 и Э4.

В мостовой схеме прототипа абсолютное изменение дифференциального напряжения

В заявленной схеме изменение сопротивления жидкости на согласно формуле (5), приводит к изменению дифференциального напряжения на :

Разделив (9) на (8), получим коэффициент эффективности схемы на Фиг. 2:

Например, при реальных значениях параметров в формуле (10) , , принимая во внимание ограничение (6), , получим , то есть амплитуда дифференциального напряжения заявленной схемы больше амплитуды дифференциального напряжения классической мостовой схемы, используемой в схеме прототипа, в раза.

Увеличение коэффициента усиления по напряжению дифференциального напряжения в раз позволяет значительно увеличить крутизну фронтов выходного импульсного напряжения и снизить время нахождения операционного усилителя на линейном участке своей проходной характеристики , где наблюдается максимальная чувствительность к электрическим и электромагнитным помехам и, как следствие появление в выходном напряжении лишних импульсов, что никак не допустимо в расходометрии жидкости. Помехозащищённость жидкостного расходомера особенно актуальна, если он используется в промышленных предприятиях, тем более, когда жидкость движется по неметаллическим (пластиковым) трубопроводам.

Более того, появляется возможность включения на входе операционного усилителя, как показано на фиг. 2, двух блокировочных конденсаторов и , что ещё больше увеличивает защищённость операционного усилителя от воздействия электрических и электромагнитных помех.

При включении конденсаторов и в схеме возникают две интегрирующие -цепочки, с постоянным временем и , где - выходное сопротивление источников тока на транзисторах и . Этот схемотехнический фактор позволяет ещё больше увеличить крутизну фронтов импульсов выходного напряжения , если , поскольку в схеме возникает эффект дифференцирования дифференциального напряжения .

Таким образом, предложенное изобретение позволяет увеличить динамический диапазон измерения, обеспечить работоспособность расходомера при очень низких расходах жидкости с гарантированным подавлением влияния электрических и электромагнитных помех в реальных условиях эксплуатации расходомера и возможность фиксации начального режима работы электронной схемы без уменьшения её чувствительности в низкочастотной области функции преобразования.

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в расходометрии электропроводных жидкостей в химической, пищевой и фармацевтической промышленности, в жилищно-коммунальном хозяйстве, тепло- и электроэнергетике, в счетчиках количества теплоты с водяной системой теплоснабжения. Шариковый расходомер электропроводной жидкости состоит из цилиндрического корпуса, винтообразного потоконаправляющего аппарата, шара с нулевой плавучестью в жидкости и кольцевого канала, образованного между внутренней поверхностью корпуса и ступицей, которые изготовлены из диэлектрического материала, четырёх электродов и электронного преобразователя частоты вращения шара в частоту выходного импульсного напряжения, при чем электронный преобразователь содержит два управляемых источника тока на полевых транзисторах с изолированными затворами и индуцированными каналами, включенными последовательно с сопротивлениями жидкости между электродами, управляемых напряжениями стоков смежных транзисторов, к которым подключены конденсаторы. Технический результат – увеличение динамического диапазона измерения, обеспечение работоспособности расходомера при очень низких расходах жидкости с гарантированным подавлением влияния электрических и электромагнитных помех в реальных условиях эксплуатации расходомера и возможность фиксации начального режима работы электронной схемы без уменьшения её чувствительности в низкочастотной области функции преобразования. 2 ил.

Шариковый расходомер электропроводной жидкости, состоящий из цилиндрического корпуса, винтообразного потоконаправляющего аппарата, шара с нулевой плавучестью в жидкости и кольцевого канала, образованного между внутренней поверхностью корпуса и ступицей, которые изготовлены из диэлектрического материала, четырёх электродов и электронного преобразователя частоты вращения шара в частоту выходного импульсного напряжения, отличающийся тем, что электронный преобразователь содержит два управляемых источника тока на полевых транзисторах с изолированными затворами и индуцированными каналами, включенными последовательно с сопротивлениями жидкости между электродами, управляемых напряжениями стоков смежных транзисторов, к которым подключены конденсаторы.