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

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в расходометрии электропроводной жидкости (воды, водных растворов органических и неорганических соединений) в химической, пищевой и фармацевтической промышленности, в электро- и теплоэнергетике, в жилищно-коммунальном хозяйстве (ЖКХ) и социальной сфере экономики, где требуется измерение предельно малых расходов жидкости в очень большом динамическом диапазоне (Q_MAX / Q_MIN) с требуемой точностью.

Особенно перспективно использование шариковых расходомеров электропроводной жидкости в ЖКХ и социальных учреждениях, где по своей стоимости, затратам на обслуживание и ремонт, продолжительности межповерочного интервала и допустимого срока эксплуатации они имеют преимущества перед расходомерами других известных типов.

Особо следует отметить целесообразность использования шариковых расходомеров электропроводной жидкости (далее ШРЭЖ) в составе счётчиков количества теплоты для водяных систем теплоснабжения.

Технические и эксплуатационные характеристики шариковых расходомеров жидкости, независимо от их конструктивных особенностей и областей использования, должны соответствовать «Общим техническим условиям» [Расходомеры тахометрические шариковые ГСП, ГОСТ 14012-76, Издательство стандартов, 1984 г.].

Шариковые расходомеры, в которых используется магнитоиндукционный датчик частоты вращения тяжёлого шарика, изготовленного из ферромагнитного материала, например, «Шторм» (внесённые в Государственный реестр средств измерения №5706-08), имеют очень низкий динамический диапазон измерения (Q_MAX / Q_MIN <6) и большую относительную погрешность измерения (1,5÷2,5%), поэтому они не могут использоваться в промышленном производстве и тем более в ЖКХ и социальных учреждениях.

Известен электронно-оптический шариковый первичный преобразователь расхода жидкости [патент RU 2548055 С1, МПК 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, МПК 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.

Этот тип шарикового расходомера пригоден для измерения расхода любой жидкости, но его конструкция, реализованная на стыке гидромеханики и радиоэлектроники, отличается сложностью и затратностью в условиях серийного производства таких расходомеров. Универсальность радио-шариковых расходомеров любых типов жидкостей никак не согласуется с требованиями к расходомерам, предназначенным к расходометрии электропроводных жидкостей в ЖКХ и социальном секторе экономики в связи с их дороговизной как в производстве, так и в обслуживании.

Известны шариковые расходомеры электропроводных жидкостей [патент RU 2566428 C1, 27.10.2015 г.; патент RU 2762946 C1, 24.12.2021 г.; патент RU 2777291 C1, 02.08.2022 г.; патент RU 2811675 C1, 15.01.2024 г.], в которых используются корпус, струенаправляющий аппарат и шарик, изготовленные из диэлектрического материала, три или четыре электрода, установленные в кольцевом канале, и электронная схема, служащая для преобразования скорости вращения шарика в кольцевом канале в частоту импульсного выходного напряжения. В этих расходомерах количество электродов определяет конструкцию, затраты на изготовление расходомера, особенности электронной схемы и достигаемые метрологические характеристики.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является шариковый первичный преобразователь расхода электропроводной жидкости [патент RU 2471154 C1, МПК G01F 1/05, опубл. 27.12.2012 г.], состоящий из цилиндрического корпуса с кольцевым каналом, в котором свободно может вращаться шарик, неподвижного струенаправляющего аппарата и узла съема электрического сигнала, при этом 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 кольцевого канала расположены два электрода.

Использование двух электродов позволяет максимально упростить конструкцию расходомера и снизить затраты на его изготовление.

Недостатками прототипа являются: неиспользование преимуществ двухэлектродной конструкции расходомера электропроводной жидкости - отсутствие адаптированности к применению аддитивных технологий производства; низкая прямоугольность выходного напряжения расходомера, длительность фронтов выходного напряжения сильно зависит от скорости вращения шарика в кольцевом канале и, значит, от расхода жидкости; низкая температурная стабильность электронной схемы расходомера, вызванная температурным дрейфом параметров используемого биполярного транзистора и зависимостью сопротивления электропроводной жидкости от температуры; работоспособность расходомера, являющегося прототипом, зависит от вида жидкости, её электропроводности; недостаточная защищённость схемы от воздействия электрических помех.

Задачей изобретения является максимальное упрощение конструкции ШРЭЖ, снижение себестоимости расходомера в условиях серийного производства и в результате - расширение областей использования заявленного расходомера в промышленности и социальной сфере экономики.

Технический результат - достижение высокой электрической помехозащищённости и термостабильности при требуемых метрологических характеристиках независимо от вида электропроводной жидкости за счет использования двухэлектродной конструкции расходомера, максимально адаптированной к применению аддитивных технологий производства, и исключения в электронной схеме положительной обратной связи.

Поставленная задача решается и технический результат достигается шариковым расходомером электропроводной жидкости, состоящим из корпуса, струенаправляющего аппарата, шарика, выполненного из диэлектрического материала с нулевой плавучестью в жидкости, кольцевого канала, двух электродов, размещённых в кольцевом канале, и электронного узла, в котором, в отличие от прототипа, в электронном узле между двух электродов включен блокирующий конденсатор, инвертирующий вход операционного усилителя подключен к электроду через RC-фильтр низких частот, а неинвертирующий вход операционного усилителя соединён через резистор с электродом, соединённым с коллектором биполярного транзистора, режим работы которого задан резистивным делителем напряжения питания.

Сущность изобретения поясняется чертежами Фиг.1, Фиг.2 и Фиг.3.

На Фиг.1 показана гидромеханическая часть ШРЭЖ, где 1 - корпус расходомера, изготовленный вместе со ступицей 2 из диэлектрического материала при помощи аддитивных технологий; 3 - винтообразный потоконаправляющий аппарат; 4 - шарик, изготовленный из диэлектрического материала и имеющий нулевую плавучесть в жидкости.

Винтообразный потоконаправляющий аппарат 3 осуществляет преобразование линейного потока жидкости в ламинарно вращающуюся жидкость, что обеспечивается специальной траекторией лопастей в процессе 3D-печати этого аппарата, который без люфта вставляется в корпус 1, формируя кольцевой канал требуемой конфигурации.

В зоне кольцевого канала, как показано на Фиг.1, заподлицо с его поверхностью, установлены электроды Э1 и Э2, электрохимически инертные к жидкости.

Шарик 4, вращаясь в потоке жидкости, за один оборот в кольцевом канале один раз оказывается между электродами Э1 и Э2, изменяя сопротивление жидкости и, следовательно, электрическое напряжение при протекании между ними электрического тока.

На Фиг.2 представлена электрическая схема электронного узла ШРЭЖ, входным напряжением которого является пульсирующее напряжение U₁ (при вращении шара) между электродами Э1 и Э2. Частота пульсаций напряжения U₁ равна частоте вращения шара, амплитуда пульсаций определяется произведением I_ЖΔR_Ж, в котором I_Ж - ток, протекающий через жидкость между электродами Э1 и Э2, ΔR_Ж - изменение сопротивления жидкости между электродами Э1 и Э2, когда шарик 4 находится точно под ними.

В заявленном ШРЭЖ ток, протекающий между электродами Э1 и Э2, является током коллектора I_К.VT1 биполярного p-n-p-транзистора VT1, включенного в схему с общим эмиттером: I_Ж=I_К.VT1=β⋅I_Б.VT1, где ток базы транзистора I_Б.VT1 фиксируется резистивным делителем напряжения электропитания схемы R1, R2 и никак не зависит от положения шарика в кольцевом канале.

Если шарик 4 в данный момент времени находится далеко от зоны электродов Э1 и Э2, то напряжение U₁=I_ЖR_Ж. Когда шарик оказывается в кольцевом канале между электродами Э1 и Э2, напряжение U₁ возрастает:

откуда следует, что амплитуда пульсаций будет иметь величину I_ЖΔR_Ж.

При эксплуатации операционного усилителя (далее ОУ) DA1 с однополярным напряжением питания U_П необходимо установить синфазные напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах ОУ на уровне 0,5U_П - виртуального нуля. Значит, для напряжения U₁=I_К.VT1R_Ж=0,5U_П, необходимо обеспечить ток I_К.VT1=0,5U_П/R_Ж.

Необходимо отметить, что амплитуда пульсаций определяется произведением I_К.VT1ΔR_Ж, если входные токи ОУ DA1 имеют пренебрежимо малую величину, как у многих интегральных ОУ (несколько наноампер).

Если бы сопротивление жидкости между электродами Э1 и Э2 было включено в нижнее плечо резистивного делителя напряжения питания схемы U_П, то амплитуда пульсаций напряжения

где R - сопротивление верхнего плеча делителя напряжения питания схемы U_П.

При том же виртуальном нулевом уровне напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах ОУ, равного 0,5U_П, в известной схеме прототипа, в которой сопротивление жидкости R_Ж между электродами Э1 и Э2 включено в нижнее плечо делителя напряжения питания, требуется обеспечить равенство сопротивлений R=R_Ж. Тогда амплитуда пульсаций напряжения на электроде Э1 в соответствии с (2) будет равна

В заявленной электронной схеме на Фиг.2 при токе I_К.VT1=0,5U_П/R_Ж, протекающем между электродами Э1 и Э2, амплитуда пульсаций напряжения U₁=I_ЖΔR_Ж или

Разделив (4) на (3), получим коэффициент

который свидетельствует, что включение сопротивления жидкости между электродами Э1 и Э2 в коллекторную цепь транзистора VT1 как минимум в два раза увеличивает амплитуду пульсаций напряжения U₁.

Фильтр низких частот первого порядка R_ЖC1 позволяет увеличить защищённость заявленного ШРЭЖ от появления электрических помех на электроде Э1, вызванных сетевым переменным напряжением 220, 380 В, 50 Гц и другими источниками переменного напряжения, например, нагнетателями жидкости с электропитанием от полупроводниковых преобразователей частоты, тем более если расходомер включен в пластиковую жидкостную магистраль.

Напряжение U₁, имеющее постоянную составляющую R_ЖI_К.VT1 с пульсациями положительной полярности и частотой, равной частоте вращения шарика в кольцевом канале, действует на неинвертирующем входе ОУ DA1. Это же напряжение через фильтр низких частот первого порядка R4C2 приходит на инвертирующий вход ОУ, на котором напряжение U₂ становится больше постоянной составляющей R_ЖI_К.VT1, но меньше максимально возможной величины напряжения U₁=(R_Ж + ΔR_Ж) I_К.VT1.

При U₂>U₁ ОУ DA1 поддерживается в состоянии, при котором выходное напряжение U_ВЫХ близко к нулевому уровню.

В момент времени, когда шарик, вращаясь в кольцевом канале, оказывается между электродами Э1 и Э2, напряжение на неинвертирующем входе становится больше напряжения U₂ и ОУ «опрокидывается» в состоянии, при котором выходное напряжение U_ВЫХ максимально большое, почти равное напряжению питания U_П.

На Фиг.3 представлены временные диаграммы синфазных входных напряжений на инвертирующем U₂(t) и неинвертирующем U₁(t) входах ОУ DA1, и выходного напряжения U_ВЫХ(t), которые формируются в схеме заявленного ШРЭЖ при вращении шарика в кольцевом канале. В моменты времени t₁, t₂ и t₃ шарик находится точно между электродами Э1 и Э2, следовательно, в эти моменты времени синфазное напряжение на неинвертирующем входе максимально больше усреднённого за период T=1/f фильтром нижних частот R4C2 напряжения на инвертирующем входе ОУ DA1, и выходное напряжение схемы почти достигает величины напряжения питания U_П.

Длительность выходных прямоугольных импульсов T_И зависит от временного интервала, в течение которого напряжение U₁(t) больше напряжения U₂(t), и частоты вращения шарика.

Как видно из диаграмм напряжений на Фиг.3, электрические помехи, которые могут возникать на входах ОУ DA1, не влияют на процесс формирования выходного импульсного напряжения, если напряжение на инвертирующем входе U₂ больше напряжения U₁=0,5U_П, то есть их амплитуда не превышает величины разности U₂−0,5U_П, что свидетельствует о повышении помехозащищённости заявленного ШРЭЖ в дополнение к установленному с этой целью фильтру нижних частот R_ЖC1.

Более того, в заявленном двухэлектродном ШРЭЖ нестабильность тока коллектора транзистора VT1 I_К.VT1 и непостоянство сопротивления жидкости R_Ж, вызванные изменением, например, температуры, не вызывают изменения состояния ОУ DA1, поскольку при синхронном изменении синфазных напряжений U₁ и U₂ на его входе дифференциальное напряжение остаётся неизменным, изменяется только уровень виртуального нуля U₁=0,5U_П.

Резистивный потенциометр R5, величина сопротивления которого регламентирована производителем используемого типа ОУ, позволяет увеличить разность напряжений U₂–0,5U_П и тем самым увеличить помехозащищённость расходомера с учётом неидеальности ОУ - среднего входного тока, разности входных токов, приведённого ко входу напряжения смещения и их температурного дрейфа.

Итак, в заявленном шариковом расходомере электропроводной жидкости реализуется двухэлектродная конструкция гидромеханической части расходомера, максимально адаптированная к аддитивным технологиям его изготовления в условиях серийного производства, высокая прямоугольность выходного импульсного напряжения, защищённость от воздействия электрических и электромагнитных помех.

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в расходометрии электропроводной жидкости (воды, водных растворов органических и неорганических соединений) в химической, пищевой и фармацевтической промышленности, в электро- и теплоэнергетике, в жилищно-коммунальном хозяйстве и социальной сфере экономики, где требуется измерение предельно малых расходов жидкости в очень большом динамическом диапазоне с требуемой точностью. Шариковый расходомер электропроводной жидкости состоит из корпуса, струенаправляющего аппарата, шарика, выполненного из диэлектрического материала с нулевой плавучестью в жидкости, кольцевого канала, двух электродов, размещённых в кольцевом канале, и электронного узла, при этом в электронном узле между двух электродов включен блокирующий конденсатор, инвертирующий вход операционного усилителя подключен к электроду через RC-фильтр низких частот, а неинвертирующий вход операционного усилителя соединён через резистор с электродом, соединённым с коллектором биполярного транзистора, режим работы которого задан резистивным делителем напряжения питания. Технический результат - достижение высокой электрической помехозащищённости и термостабильности при требуемых метрологических характеристиках независимо от вида электропроводной жидкости за счет использования двухэлектродной конструкции расходомера, максимально адаптированной к применению аддитивных технологий производства, и исключения в электронной схеме положительной обратной связи. 3 ил.

Шариковый расходомер электропроводной жидкости, состоящий из корпуса, струенаправляющего аппарата, шарика, выполненного из диэлектрического материала с нулевой плавучестью в жидкости, кольцевого канала, двух электродов, размещённых в кольцевом канале, и электронного узла, отличающийся тем, что в электронном узле между двух электродов включен блокирующий конденсатор, инвертирующий вход операционного усилителя подключен к электроду через RC-фильтр низких частот, а неинвертирующий вход операционного усилителя соединён через резистор с электродом, соединённым с коллектором биполярного транзистора, режим работы которого задан резистивным делителем напряжения питания.