ШАРИКОВЫЙ РАСХОДОМЕР Российский патент 2024 года по МПК G01F1/05 

Изобретение относится к приборостроению, а именно к устройствам для измерения расхода жидкости в химической, нефтяной, нефтеперерабатывающей промышленности, а также в энергетике.

Известен шариковый расходомер [Коробко И.В., Дидковская А.Н. Шариковые тахонометрические расходомеры и счетчики количества жидкости // Журнал СОК "Сантехника, Отопление, Кондиционирование", 2005, URL: file:///C:/Users/User/Downloads/%D0%9A%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B1%D0%BA%D0%BE%20%D0%98.%D0%92.,%20%D0%94%D0%B8%D0%B4%D0%BA%D0%BE%D0%B2%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F%20%D0%90.%D0%9D.%20%D0%A8%D0%B0% D1%80%D0%B8%D0%BA%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B9%20%D1%82%D0%B0% D1%85%D0%BE%D0%BD%D0%BE%D0%BC%D0%B5%D1%82%D1%80%20%D1%80% D0%B0%D1%81%D1%85-1.pdf], содержащий корпус, струенаправляющий аппарат, шар, помещенный внутри камеры завихрения, расположенной за выходным торцом струенаправляющего аппарата, магнитоиндукционный узел съема сигнала, расположенный на наружной стороне корпуса. В известном устройстве поток измеряемой жидкости после прохождения струенаправляющего аппарата двигается в камере завихрения, образованной внутренней поверхностью корпуса и ограничительным кольцом, по винтовой линии, в результате взаимодействия с которым шар приводится во вращение вокруг оси расходомера, а также за счет сил трения с внутренней поверхностью корпуса, вокруг собственной оси.

К недостаткам известного расходомера относятся низкая точность, обусловленная нелинейностью его статической характеристики, и высокий износ шара, движущегося по внутренней поверхности корпуса, при значительной нагрузке на ограничительное кольцо.

В качестве прототипа принят шариковый преобразователь расхода [Патент RU на изобретение № 2 472 115, МПК G01F 1/05 опубл. 10.01.2013, бюл. 1], содержащий корпус, со стороны раскрытия полости имеющий кольцевое углубление, ограничительную втулку с элементами, например лопастями, создающими вращение потока вокруг продольной оси преобразователя, раскрытую кольцевую полость (камера завихрения), ограниченную внутренней поверхностью корпуса, образующей дорожку качения, и наружной поверхностью ограничительной втулки, размещенный в кольцевой полости шар, преобразователь скорости вращения шара в электрический сигнал. Корпус преобразователя со стороны его касания с ограничительной втулкой выполнен с открытыми со стороны кольцевой полости каналами, которые вместе с лопастями образуют струенаправляющий аппарат.

С существенными признаками изобретения совпадает следующая совокупность признаков прототипа: корпус, в котором установлен струенаправляющий аппарат, за выходным торцом которого расположена камера завихрения с шаром, и размещенный на наружной стенке корпуса преобразователь скорости вращения шара в электрический сигнал.

В известном устройстве шар вращается в горизонтальной плоскости, перпендикулярной вертикальной оси расходомера внутри кольцевой полости, и находится в состоянии неустойчивого равновесия по вертикали, поэтому при работе расходомера происходит износ дорожки качения в кольцевой полости и шара, вызванный интенсивным взаимодействием шара с поверхностью дорожки качения, в результате биений шара об ее стенку.

Недостатками прототипа являются его низкая точность и низкий ресурс работы, обусловленные износом дорожки качения шара.

Изобретение направлено на повышение точности шарикового расходомера и увеличение ресурса его работы.

Это достигается тем, что шариковый расходомер содержит корпус, в котором установлен струенаправляющий аппарат, за выходным торцом которого расположена камера завихрения с шаром, и размещенный на наружной стенке корпуса преобразователь скорости вращения шара в электрический сигнал. В предложенном решении струенаправляющий аппарат снабжен узлом жесткой заделки конца углеродной нити, представленного в виде центра выходного торца, выполненного в виде втулки с углеродной нитью, представляющую собой гибкую механическую связь, имеющей со стороны втулки утолщение. Причем максимальный диаметр утолщения определен из условия равного сопротивления изгибу при плавном переходе к диаметру углеродной нити, при этом шар соединен с концом углеродной нити.

Сущность изобретения поясняется графическим материалом, где на фиг. 1 схематично представлен общий вид шарикового расходомера, фиг. 2 – вид А на фиг. 1, фиг. 3 – шариковый расходомер в разрезе, фиг. 4 – вид корпуса шарикового расходомера, фиг. 5  – тоже сбоку, фиг. 6 – вид струенаправляющего аппарата, фиг. 7 – тоже снизу, фиг. 8 – тоже сбоку.

Шариковый расходомер содержит корпус (1). Корпус (1) представляет собой полый цилиндр с отверстиями для крепления к трубе (на фиг. не указано). В корпусе (1) установлен струенаправляющий аппарат (2), создающий вращение потока жидкости вокруг вертикальной оси расходомера. Струенаправляющего аппарата (2) представляет собой цилиндр, в котором под углом 45 градусов выполнены прорези, образующие винт. Данные прорези нужны для придания потоку вращения. Сверху у струенаправляющего аппарата расположен обтекаемый элемент (на фиг. не указано).

Струенаправляющий аппарат (2) включает лопасти (3) с возможностью вращения потока вокруг продольной оси О₁, О₂ корпуса (1) и шар (4), помещенный внутри камеры завихрения (5), расположенной за выходным торцом (6) струенаправляющего аппарата (2).

На наружной стенке корпуса (1) на уровне шара 4 прикреплен, например, приклеен, преобразователь (7) скорости вращения шара (4) в электрический сигнал, выполненный, например, в виде индуктивного датчика частоты вращения шара (4). Шар (4) имеет нулевую плавучесть в измеряемой жидкости. Внутри шара (4) установлена ферромагнитная вставка (на фиг. не указано).

Струенаправляющего аппарата (2) снабжен узлом жесткой заделки конца углеродной нити (8) представлено в виде центра выходного торца (6), выполненным в виде втулки (9). Внутри втулки (9) установлен, например, запрессован конец углеродной нити (8), представляющую собой гибкую механическую связь. Углеродная нить (8) с диаметром dn соединена с шаром (4) и с центром выходного торца (6) струенаправляющего аппарата (2). При этом, один конец углеродной нити (8) соединен, например, с помощью клея, с шаром (4), а другой конец соединен, например, с помощью закупоривания втулкой (9), с нижним углублением струенаправляющего аппарата (2). При этом втулка (9) закреплена на выходном торце (6) струенаправляющего аппарата (2) и симметрично относительно его центра.

Конец углеродной нити (8) со стороны втулки (9) имеет утолщение (10), длиной равной L₀, а диаметр утолщения изменяется от диаметра нити dн до максимального диаметра утолщения конца углеродной нити D₀. D₀ определяют из условия равного сопротивления изгибу при плавном переходе к диаметру dn углеродной нити (8). Уравнение для определения текущего значения диаметра утолщения D(x) в зависимости от координаты х, отсчитываемой со стороны втулки от места закрепления утолщения, имеет вид: ,

где a=

Узел жесткой заделки конца углеродной нити (8), указанного типа представлен в [Сабитов Л.С., Ильин В.К., Ибрагимова А.В., Стрелков Ю.М. Способ защиты сталеалюминевых проводов воздушных линий электропередачи от усталостных колебательных повреждений на выходе из поддерживающего зажима // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. т. 21. № 5. с. 122-130, URL: https://journals.istu.edu/vestnik_irgtu/journals/2017/05/articles/11].

В предложенном шариковом расходомере использована углеродная нить (8), у которой предел прочности на разрыв σ_вр составляет 7,2 ГПа, например, такая углеродная нить диаметром 0,1 мм выдерживает груз массой 5,65 кг [Берлин Ал. Ал. Современные полимерные композиционные материалы // Соросовский образовательный журнал. 1995. №1. С. 59]. При работе расходомера происходит круговой циклический изгиб гибкой механической связи, его важной характеристикой является предел выносливости при изгибе σ-1, наибольшее циклическое напряжение которому углеродный материал нити (8) может противостоять практически неограниченно долго без разрушения. Для углеродного материала σ-1~ 0,8 σ_вр [Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1986. С. 391].

Шариковый расходомер изготавливают, например, следующим образом:

Изготовление корпуса (1). Берут цилиндр из нержавеющей стали. Производят обработка на токарном станке до соответствия (фиг. 4-5). В уширениях цилиндра на сверлильном станке делаются отверстия для крепления к трубе.

Изготовление струенаправляющего аппарата (2). Берут цилиндр из нержавеющей стали. Производят обработка на токарном станке до соответствия (фиг. 6-8). Проделывая прорези под углом в цилиндре, получают лопасти (3).

Изготовление шара (4). Берут шар из плотного пластика. В нём сверлят отверстие до центра. Внутрь помещают ферромагнитную вставку.

Сборка шарикового расходомера. Углеродную нить (8) тонким концом приклеивают поверх ферромагнитной вставки в отверстие шара (4), помещенного внутри камеры завихрения (5), расположенной за выходным торцом (6). Струенаправляющий аппарат (2) устанавливают сверху корпуса (1). При этом обтекаемый элемент направлен вверх, а углубление – вниз. Углеродная нить приклеивают к углублению струенаправляющего аппарата и дополнительно уплотняют втулкой (9). Преобразователь (7) скорости вращения шара в электрический сигнал приклеивают к внешней стороне корпуса на уровне шара.

Шариковый расходомер работает следующим образом.

При отсутствии потока жидкости шар (4), соединенный углеродной нитью (8), на котором за одно целое с ней сформировано утолщение (10), с центром выходного торца (6) струенаправляющего аппарата (2) включающего лопасти (3), выполненным в виде втулки (9), располагается на продольной оси О₁, О₂ корпуса (1) за струенаправляющим аппаратом (2). Углеродная нить с утолщением определены из условия равного сопротивления изгибу при плавном переходе к диаметру углеродной нити –

это позволяет так же повысить точность и ресурс работы шарикового расходомера.

При подводе потока жидкости через струенаправляющий аппарат (2), поток приобретает закрутку вокруг продольной оси О₁, О₂ корпуса (1). Вращательное движение жидкости в камере завихрения (5) за счет силы вязкого трения и турбулентного перемешивания передается шару (4), частота вращения которого пропорциональна расходу жидкости. При вращении шара (4) на нити (8) соединенной с центром выходного торца (6), получается конус с вершиной расположенной в этом центре, и углом наклона образующей конуса к его оси, равным α, который определяется из векторного параллелограмма сил, построенного на векторах центробежной Fц и гидродинамической Fг сил, приложенным к центру шара (4). Их равнодействующей является сила натяжения нити Fн, которая направлена по диагонали параллелограмма и численно равна ее длине.

Выражения для определения численных значений сил Fц и Fг имеют вид: ,

где m – масса шара; V_ш – скорость вращения шара; r₀ – расстояние от центра шара (4) до оси О₁, О₂ расходомера;

где С_х – коэффициент лобового сопротивления шара(4), ρ – плотность жидкости, V_oc – осевая скорость движения жидкости, s – площадь миделевого сечения шара (4).

Отношение скоростей определяется углом установки лопастей (3) струенаправляющего аппарата (2) к оси О₁, О₂ расходомера.

Благодаря воздействию на шар (4) центробежной силы Fц направленной по радиусу от оси О₁, О₂ расходомера, уравновешивающей воздействие на шар (4) гидродинамической силы потока Fг, при оптимальных параметрах расходомера шар (4) движется по круговой орбите в камере завихрения (5), не касаясь ее стенок, что позволяет повысить точность и ресурс работы шарикового расходомера. Частота вращения шара (4) регистрируется преобразователем (7). За счет отсутствия сил трения шара с внутренней поверхностью корпуса расходомера отсутствует износ дорожки качения и шара, что повышает ресурс работы расходомера и повышается точность от устранения нелинейности его статической характеристики.

Использование изобретения позволяет повысить точность и увеличение ресурса работы шарикового расходомера.

Изобретение относится к приборостроению, а именно к устройствам для измерения расхода жидкости в химической, нефтяной, нефтеперерабатывающей промышленности, а также в энергетике. Шариковый расходомер содержит корпус (1), в котором установлен струенаправляющий аппарат (2), за выходным торцом которого расположена камера завихрения (5) с шаром (4), и размещенный на наружной стенке корпуса преобразователь скорости (7) вращения шара (4) в электрический сигнал. В предложенном решении струенаправляющий аппарат (2) снабжен узлом жесткой заделки конца углеродной нити (8), представленного в виде центра выходного торца (6), выполненного в виде втулки (9) с углеродной нитью (8), представляющей собой гибкую механическую связь, имеющей со стороны втулки утолщение (10). Причем максимальный диаметр утолщения (10) определен из условия равного сопротивления изгибу при плавном переходе к диаметру углеродной нити (8), при этом шар (4) соединен с концом углеродной нити (8). Технический результат - повышение точности шарикового расходомера и увеличение ресурса его работы. 8 ил.

Шариковый расходомер, содержащий корпус, в котором установлен струенаправляющий аппарат, за выходным торцом которого расположена камера завихрения с шаром, и размещенный на наружной стенке корпуса преобразователь скорости вращения шара в электрический сигнал, отличающийся тем, что струенаправляющий аппарат снабжен узлом жесткой заделки конца углеродной нити, представленного в виде центра выходного торца, выполненного в виде втулки с углеродной нитью, представляющей собой гибкую механическую связь, имеющей со стороны втулки утолщение, причем максимальный диаметр утолщения определен из условия равного сопротивления изгибу при плавном переходе к диаметру углеродной нити, при этом шар соединен с концом углеродной нити.