Электронно-оптический шариковый расходомер жидкости Российский патент 2024 года по МПК G01F1/05 

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в расходометрии жидкостей в химической, нефте- и газоперерабатывающей, пищевой, фармацевтической и других областях промышленности, сжиженного газа и ароматических углеводородов.

Особенно целесообразно использование электронно-оптических шариковых расходомеров (далее - ЭОШРЖ) в расходометрии особо взрыво- пожароопасных и ядовитых жидкостей.

Известно много вариантов конструкций шариковых расходомеров, отличающихся конструктивными особенностями гидромеханической части, способом преобразования скорости вращения шарика в кольцевом канале и, значит, расхода жидкости в частоту выходного электрического сигнала, а также рекомендуемыми областями использования в реальном секторе экономики.

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 магнито-индукционный датчик частоты вращения шарика, выполненного из ферромагнитного материала [Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Справочник. 4-е изд. Л.:Машиностроение, 1989-701 с.; патент RU 2253843 C1, МПК G01F 1/06, опубл. 10.06.2005 г.; а.с. SU 1591618 A1, МПК G01F 1/06, G01F 1/10, опубл. 27.05.1988 г.; а.с. SU 1117448 А, МПК G01F 1/06, опубл. 07.10.1984 г.], которые имеют низкие метрологические характеристики (приведённая относительная погрешность преобразования расхода жидкости в частоту выходного импульсного напряжения превышает 2% при динамическом диапазоне измерения расхода менее Q_max / Q_min = 6).

Известны шариковые первичные преобразователи расхода электропроводной жидкости [патент RU 2471154 С1, МПК G01F 1/05, опубл. 27.12.2012 г.; патент RU 2566428 С1, МПК G01F 1/06, опубл. 27.10.2015 г.; патент RU 2762946 С1, МПК G01F 1/05, опубл. 24.12.2021 г.], которые не могут использоваться в расходометрии пожаро- и взрывоопасных жидкостей из-за использования в подобных расходомерах электрического контакта электронной схемы с жидкостью.

Известны радио-шариковые первичные преобразователи расхода любой жидкости [патент RU 2471154 С1, МПК G01F 1/05, опубл. 27.12.2012 г.; патент RU 2761416 С1, МПК G01F 1/05, опубл. 08.12.2021 г.], в которых радиоэлектронная схема располагается в непосредственной близости к жидкости, что снижает их пожаро- и взрывозащищённость при расходометрии особо опасных жидкостей.

Наиболее близким по конструкции и принципу действия к заявленному ЭОШРЖ является «Шариковый электронно-оптический первичный преобразователь расхода прозрачных жидкостей» [патент на изобретение RU 2548055 С1, МПК G01F 1/06, опубл. 10.04.2015 г.], состоящий из корпуса с кольцевым каналом, в котором свободно может вращаться шарик, имеющий нулевую плавучесть в жидкости, неподвижного струенаправляющего аппарата и узла съёма электрического сигнала, содержащего светоизлучатель и фотоприёмник, связанные между собой прямой оптической и обратной электрической положительной обратными связями, размещённых непосредственно в кольцевом канале так, чтобы вращающийся шарик мог пересекать оптическую ось «светоизлучатель-фотоприёмник», причём фотоизлучатель и фотоприёмник могут быть с помощью оптоволоконного волновода размещены во вторичном электронном преобразователе.

Прототип имеет следующие недостатки:

1. Величина прямой оптической связи между фотоизлучателем и фотоприёмником сильно зависит от прозрачности жидкости, а глубина электрической положительной обратной связи неизменна и зависит только от электрических параметров фотоизлучателя (светодиода VD1), фотоприёмника (фотодиода VD2), биполярного транзистора VT1, сопротивлений R1 и R2, которые фиксируются в процессе настройки рабочего режима работы электронной части прототипа после его изготовления.

В реальных условиях эксплуатации прототипа, при снижении прозрачности жидкости возможно превышение глубины положительной электрической обратной связи над величиной прямой оптической связи между светодиодом VD1 и фотодиодом VD2, следовательно, возникновение триггерного эффекта, при котором на выходе электронной части расходомера исчезает выходное импульсное напряжение - расходомер перестаёт функционировать.

2. При увеличении эксплуатационной температуры известного расходомера уменьшается световой поток, излучаемый светодиодом VD1, уменьшается чувствительность фотодиода VD2, что приводит к уменьшению прямой оптической связи и, как следствие, возникновение триггерного эффекта. Более того, при увеличении температуры биполярного транзистора VT1 возрастает его коэффициент усиления по току β в схеме с общим эмиттером, возрастает ток базы I_б.VT1 = I_обр.VD2, и, в результате, увеличивается ток коллектора транзистора VT1: I_к = β·I_б.VT1. Значит, увеличивается падение напряжения на резисторе R1: U_R1 = I_к·R1, и снижается напряжение, приложенное к светодиоду VD1, а это снижает излучаемый им световой поток, что увеличивает вероятность возникновения триггерного эффекта.

3. Никак нельзя исключить возникновение автоколебательного процесса в электронной схеме с положительной обратной связью прототипа, когда сочетание прозрачности жидкости и её температуры (и, следовательно, компонентов схемы) примет необходимое значение. При этом на выходе электронной части прототипа появится периодический сигнал, а вторичный электронный преобразователь может принять его как выходное импульсное напряжение. Появление на выходе первичного преобразователя расхода жидкости лишних импульсов никак не допустимо, так как это будет воспринято как резкое и неуправляемое увеличение расхода жидкости.

4. Для реализации прямой оптической связи светодиода VD1 с фотодиодом VD2 в прототипе их оптические оси должны находиться на одной прямой. Это требует увеличение диаметра корпуса, его выполнение из двух частей, приводит к увеличению минимально необходимого количества деталей гидромеханической части первичного преобразователя расхода жидкости и, главное, резко снижает эффективность использования современных, например, аддитивных технологий, не позволяет достичь снижения себестоимости прототипа в условиях серийного производства.

Таким образом, расположение светодиода и фотодиода на одной оптической оси в известном электронно-оптическом первичном преобразователе расхода прозрачной жидкости и применение в электронной схеме положительной обратной связи с целью нормирования выходного импульсного напряжения порождают выше рассмотренные недостатки, которые никак не совместимы с требованиями к серийно выпускаемому средству измерения расхода жидкости. Более того, недостатки прототипа дискредитируют в целом применение оптоэлектроники в измерительной технике.

Задачей изобретения является упрощение конструкции расходомера с уменьшением количества комплектующих деталей, обеспечивающее использование аддитивных технологий при изготовлении расходомера, что в конечном счете позволяет значительно снизить себестоимость изделия в условиях серийного производства.

Технический результат - обеспечение независимости функционирования электронно-оптической схемы ЭОШРЖ от прозрачности и температуры жидкости посредством подавления возможности возникновения в схеме триггерного эффекта и автогенерации.

Поставленная задача решается и технический результат достигается по первому варианту тем, что в электронно-оптическом шариковом расходомере жидкости, состоящем из корпуса с кольцевым каналом, в котором свободно может вращаться шарик, имеющий нулевую плавучесть в жидкости, струенаправляющего аппарата и узла съема электрического сигнала, содержащего светоизлучатель и фотоприемник, размещенные непосредственно в зоне кольцевого канала, в отличие от прототипа, в узле съема электрического сигнала светоизлучатель и фотоприемник установлены под углом друг к другу так, чтобы их оптические оси сходились в точку на светоотражающей поверхности шарика, причем в качестве светоизлучателя используется светодиод, а в качестве фотоприемника используется фототранзистор с возможностью фиксации режимов их работы двумя резисторами с учетом пороговых напряжений срабатывания и отпускания триггера Шмитта, вход которого соединен с коллектором фототранзистора.

Поставленная задача решается и технический результат достигается по второму варианту тем, что в электронно-оптическом шариковом расходомере жидкости, состоящем из корпуса с кольцевым каналом, в котором свободно может вращаться шарик, имеющий нулевую плавучесть в жидкости, струенаправляющего аппарата и узла съема электрического сигнала, содержащего светоизлучатель и фотоприемник, размещенные во вторичном электронном преобразователе и оптически связанные с кольцевым каналом посредством оптоволоконных световодов, в отличие от прототипа, в узле съема электрического сигнала оптоволоконные световоды установлены под углом друг к другу так, чтобы их оптические оси сходились в точку на светоотражающей поверхности шарика, причем в качестве светоизлучателя используется светодиод, а в качестве фотоприемника используется фототранзистор с возможностью фиксации режимов их работы двумя резисторами с учетом пороговых напряжений срабатывания и отпускания триггера Шмитта, вход которого соединен с коллектором фототранзистора.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлен первый вариант конструкции электронно-оптического шарикового расходомера жидкости, где 1 - монолитный корпус расходомера со ступицей 2; 3 - монолитный струенаправляющий аппарат; 4 - шарик, имеющий светоотражающую поверхность и нулевую плавучесть в жидкости; 5 - узел съема электрического сигнала, герметично установленный в корпусе, в котором размещены под углом друг к другу светодиод VD1 и фототранзистор VT1.

На фиг. 2 представлен второй вариант конструкции электронно-оптического шарикового расходомера жидкости, в котором светоизлучатель и фотоприемник (в качестве которых выступают светодиод VD1 и фототранзистор соответственно VT1) размещены во вторичном электронном преобразователе и оптически связаны с кольцевым каналом посредством оптоволоконных световодов 6 и 7.

На фиг. 3 представлена электронная схема заявленных вариантов расходомеров, состоящая из светодиода VD1, фототранзистора VT1, триггера Шмитта DD1 и резисторов R1 и R2.

На фиг. 4 показаны угловые диаграммы напряжений на коллекторе фототранзистора VT1 U_к.VT1(ϕ) и выходе триггера Шмитта U_вых(ϕ), являющегося выходным импульсным напряжением расходомера, а также пороговые напряжения срабатывания U_пор.ср. и отпускания U_{пор.отп} триггера Шмитта.

Из двух вариантов конструкций заявленного ЭОШРЖ, представленных на фиг. 1 и фиг. 2, следует, что световой поток (в видимом или инфракрасном спектре), излучаемый светодиодом VD1, может попасть в базу фототранзистора VT1 и быть максимальным по величине только тогда, когда шарик 4 окажется точно под точкой пересечения оптических осей светодиода и фототранзистора относительно внешней поверхности кольцевого канала расходомера. Это условие выполняется при соответствующем угле α + β, где α = β, между светодиодом VD1 и фототранзистором VT1 в первом варианте конструкции расходомера или между оптоволоконными световодами во втором варианте заявленного ЭОШРЖ. Важно, что в эти моменты времени при вращении шарика в кольцевом канале между светоизлучателем и фотоприёмником, по существу, нет жидкости, поэтому её прозрачность практически не влияет на величину коэффициента оптической взаимосвязи светодиода VD1 и фототранзистором VT1, следовательно, предельно минимизируется влияние прозрачности жидкости на выбранный режим работы электронной схемы.

Прямой ток светодиода VD1 I_пр.VD1 = (U_п. - U_пр.VD1) / R1 фиксируется резистором R1, при заданном стабилизированном напряжении электропитания U_п., известных прямом падении напряжении на светодиоде U_пр.VD1 и зависимости силы излучаемого света от величины прямого тока I_пр.VD1 с учётом предполагаемого диапазона изменения эксплуатационной температуры расходомера, являющихся справочными параметрами выбранного типа светодиода.

Световой поток, отражённый поверхностью шарика в направлении фототранзистора VT1 (непосредственно или посредством оптоволоконного световода), вызывает изменение тока коллектора I_к.VT1 и, следовательно, напряжения на коллекторе U_кэ.VT1, которое является входным напряжением триггера Шмитта DD1, предназначенным для формирования прямоугольного импульсного выходного напряжения U_вых., как показано на фиг. 4.

Если на выходе триггера Шмитта включить биполярный транзистор по схеме с общим эмиттером (или полевой транзистор с изолированным затвором по схеме с общим истоком) с целью увеличения нагрузочной способности электронной части расходомера, то выходное импульсное напряжение, снимаемое с коллектора (или стока полевого транзистора) этого транзистора U_к. = U_вых. будет инвертировано по величине, как это показано на фиг. 4.

Режим работы фототранзистора VT1 с помощью резистора R2 фиксируются таким образом, чтобы в пассивном состоянии заявленного расходомера, когда шарик 4 находится далеко от оптической зоны 5, напряжение на коллекторе фототранзистора VT1 находилось на уровне между порогами срабатывания U_пор.ср. и отпускания U_{пор.отп.} триггера Шмитта.

Гистерезис проходной характеристики U_вых. = f (U_вх.) триггера Шмитта U_г. = U_пор.ср. - U_{пор.отп.} защищает электронную схему расходомера от случайного попадания в оптическую зону 5 на фиг. 1 и фиг. 2 световых бликов в жидкости, интенсивность которых зависит от соотношения геометрических размеров кольцевого канала и диаметра шарика и используемого материала при изготовлении гидромеханической части расходомера.

Целесообразно использовать материал корпуса 1 со ступицей 2 и струенаправляющего аппарата 3 с низким светоотражающим свойством для известного спектра излучения светодиода VD1. Шарик 4 должен иметь светоотражающую поверхность для известной длины волны света, излучаемого светодиодом VD1.

Требуемые уровни пороговых напряжений срабатывания U_пор.ср. и отпускания U_{пор.отп.}, и величину гистерезиса U_г. триггера Шмитта можно задать напряжением питания U_п.

Итак, заявленный электронно-оптический шариковый расходомер обеспечивает независимость функционирования электронно-оптической схемы ЭОШРЖ от прозрачности и температуры жидкости посредством подавления возможности возникновения в схеме триггерного эффекта и автогенерации. Упрощение конструкции расходомера с уменьшением количества комплектующих деталей обеспечивает использование аддитивных технологий при изготовлении расходомера, что в конечном счете позволяет значительно снизить себестоимость изделия в условиях серийного производства.

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в расходометрии жидкостей в химической, нефте- и газоперерабатывающей, пищевой, фармацевтической и других областях промышленности сжиженного газа и ароматических углеводородов. Электронно-оптический шариковый расходомер жидкости (ЭОШРЖ) состоит из корпуса с кольцевым каналом, в котором свободно может вращаться шарик, имеющий нулевую плавучесть в жидкости, струенаправляющего аппарата и узла съема электрического сигнала, содержащего светоизлучатель и фотоприемник, размещенные непосредственно в зоне кольцевого канала и установленные под углом друг к другу так, чтобы их оптические оси сходились в точку на светоотражающей поверхности шарика, либо размещенные во вторичном электронном преобразователе и оптически связанные с кольцевым каналом посредством оптоволоконных световодов, установленных под углом друг к другу так, чтобы их оптические оси сходились в точку на светоотражающей поверхности шарика. В качестве светоизлучателя используется светодиод, а в качестве фотоприемника используется фототранзистор с возможностью фиксации режимов их работы двумя резисторами с учетом пороговых напряжений срабатывания и отпускания триггера Шмитта, вход которого соединен с коллектором фототранзистора. Технический результат - обеспечение независимости функционирования электронно-оптической схемы ЭОШРЖ от прозрачности и температуры жидкости посредством подавления возможности возникновения в схеме триггерного эффекта и автогенерации. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Электронно-оптический шариковый расходомер жидкости, состоящий из корпуса с кольцевым каналом, в котором свободно может вращаться шарик, имеющий нулевую плавучесть в жидкости, струенаправляющего аппарата и узла съема электрического сигнала, содержащего светоизлучатель и фотоприемник, размещенные непосредственно в зоне кольцевого канала, отличающийся тем, что в узле съема электрического сигнала светоизлучатель и фотоприемник установлены под углом друг к другу так, чтобы их оптические оси сходились в точку на светоотражающей поверхности шарика, причем в качестве светоизлучателя используется светодиод, а в качестве фотоприемника используется фототранзистор с возможностью фиксации режимов их работы двумя резисторами с учетом пороговых напряжений срабатывания и отпускания триггера Шмитта, вход которого соединен с коллектором фототранзистора.

2. Электронно-оптический шариковый расходомер жидкости, состоящий из корпуса с кольцевым каналом, в котором свободно может вращаться шарик, имеющий нулевую плавучесть в жидкости, струенаправляющего аппарата и узла съема электрического сигнала, содержащего светоизлучатель и фотоприемник, размещенные во вторичном электронном преобразователе и оптически связанные с кольцевым каналом посредством оптоволоконных световодов, отличающийся тем, что в узле съема электрического сигнала оптоволоконные световоды установлены под углом друг к другу так, чтобы их оптические оси сходились в точку на светоотражающей поверхности шарика, причем в качестве светоизлучателя используется светодиод, а в качестве фотоприемника используется фототранзистор с возможностью фиксации режимов их работы двумя резисторами с учетом пороговых напряжений срабатывания и отпускания триггера Шмитта, вход которого соединен с коллектором фототранзистора.