РАСХОДОМЕР ВОЗДУХА УЛЬТРАЗВУКОВОЙ Российский патент 2025 года по МПК G01F1/66 

Изобретение относится к диагностике подвижного состава железных дорог и предназначено для определения расхода сжатого воздуха в тормозной магистрали поезда.

Расход сжатого воздуха из тормозной магистрали поезда является важным диагностическим средством контроля состояния тормозной системы подвижного состава. При этом устанавливать тахометрические, вихревые, термометрические, термоанемометрические расходомеры, или расходомеры перепада давления в тормозную магистраль нельзя, так как принцип действия данных типов расходомеров основан на изменении проходного сечения трубопровода, что недопустимо по условиям безопасности (запрещается изменять сечение тормозной магистрали, а также размещать в ее рабочем сечении любые элементы с целью недопущения ухудшения проходимости сжатого воздуха).

Предлагается устанавливать в тормозную магистраль локомотива, соединенную с первым вагоном и далее последовательно со всеми вагонами поезда, ультразвуковой расходомер сжатого воздуха для определения изменения расхода сжатого воздуха, проходящего внутри тормозной магистрали. Контроль за изменением расхода воздуха в тормозной магистрали позволит своевременно обнаружить образование в ней ледяных пробок, перекрытие концевых кранов в поезде, разрыв тормозной магистрали.

При этом необходимо учитывать конструктивные ограничения, связанные с месторасположением тормозной магистрали в корпусе локомотива (тормозная магистраль установлена по всей длине локомотива, но проложена в непосредственной близости от других приборов и устройств, вдоль боковых стенок корпуса локомотива) и диапазон изменения расхода сжатого воздуха. При диаметре тормозной магистрали G1¹/₄ и зарядном давлении 0,5-0,55 МПа, расход сжатого воздуха в ней может изменяться от 1 литра в минуту (при небольшом количестве вагонов и максимальной плотности), до 10000 литров в минуту (в случае разрыва тормозной магистрали). Также необходимо учитывать, что в тормозной магистрали сжатый воздух находится под давлением, поэтому ультразвуковой расходомер должен обеспечивать герметичность при давлении воздуха до 1 МПа.

Известен ультразвуковой датчик расхода газа (патент RU 2701179 С1), содержащий расположенный в металлическом корпусе пьезоэлемент с электродами, расположенный с внешней стороны корпуса согласующий слой, выполненный из эпоксидной смолы с размещенными в ней сферическими элементами, при этом сферические элементы выполнены в виде сапфировых и боросиликатных микросфер с общей объемной концентрацией их в эпоксидной смоле 30-40% и соотношением каждого типа микросфер в пропорции 1:1.

Недостатком данного изобретения является его конструкция, которая содержит в своем составе участок трубопровода, специально зауженный по сечению (для увеличения скорости движения воздуха через него) и не может быть установлена на тормозной магистрали ни по условиям монтажа, ни по конструкционным требованиям (заужение проходного сечения трубопровода недопустимо), ни по условиям давления сжатого воздуха, ни по диапазону измерения расхода сжатого воздуха (изобретение основана на принципе отраженного ультразвукового сигнала и не может определять расход менее 200 л/мин).

Наиболее близким техническим решением является ультразвуковой расходомер (патент RU 2726289 С1), содержащий задающий генератор, излучающую часть, приемную часть и два пьезоэлектрических преобразователя, первый усилитель, второй усилитель - малошумящий, выделитель первой конфигурации, выделитель следующей конфигурации, измеритель задержки первой конфигурации, измеритель задержки следующей конфигурации и вычислитель - микроконтроллер - МК со следующими соединениями: выход задающего генератора через первый усилитель соединен с задающим ПЭПом, также выход первого усилителя соединен с синхровходами обоих измерителей задержек, выход задающего ПЭПа через пневмотрубопровод соединен с входом приемного ПЭПа, выход которого через малошумящий усилитель соединен с сигнальными входами выделителей первой и следующих конфигураций, а их выходы через измерители задержки первой и следующих конфигураций соответственно соединены с входами МК, входы которого являются выходами расходомера.

Данное изобретение не сужает проходное сечение трубопровода и может устанавливаться на тормозную магистраль локомотива, обеспечивая при этом ее герметичность. Технический результат в прототипе достигается за счет использования многократного переотражения зондирующего сигнала от внутренней поверхности трубопровода при создании оригинального математического аппарата вычисления скорости потока.

Недостатком прототипа является то, что в условиях эксплуатации внутри корпуса локомотива (ввиду конструктивных ограничений расходомер может устанавливаться только в машинном отделении), на тормозную магистраль воздействуют вибрации различной частоты, что вызывает слияние ультразвуковых сигналов с посторонними шумами ультразвукового диапазона и не позволяет производить качественное надежное непрерывное измерение скорости воздушного потока в трубопроводе. Также недостатком является то, что в состав расходомера не входит датчик давления сжатого воздуха и датчик температуры сжатого воздуха, что не позволяет измерить массовый расход сжатого воздуха и привести результаты измерения к нормальным условиям по температуре.

В настоящее время, не обеспечивает выполнение указанных требований и не подходит для эксплуатации на локомотиве для измерения скорости движения сжатого воздуха в тормозной магистрали, ни один из существующих ультразвуковых расходомеров.

Исходя из перечисленных принципов работы, а также учитывая конструктивные ограничения для установки ультразвукового расходомера в тормозную магистраль локомотива, разработан ультразвуковой расходомер оригинальной конструкции.

Конструкция изобретения представлена на фигуре 1.

В состав ультразвукового расходомера сжатого воздуха тормозной магистрали поезда входят: ультразвуковой датчик 1 и ультразвуковой датчик 2, которые герметично устанавливаются в корпусе 3. Также в корпус 3 герметично устанавливаются датчик давления 4 и датчик температуры 5. Все датчики подключаются к блоку управления ультразвукового расходомера 6 кабелями 7.

Ультразвуковые датчики 1 и 2 устанавливаются в корпус 3 друг напротив друга, под углом 30° к трубопроводу, таким образом, чтобы никак не изменять проходное сечение магистрали (заподлицо трубопроводу). Ультразвуковые датчики определяют скорость движения воздуха в трубопроводе тормозной магистрали по известному принципу (скорость прохождения сигнала от передатчика до приемника будет меняться каждый раз при движении воздуха; если ультразвуковой сигнал идет по направлению потока воздуха, то время уменьшается, если против - увеличивается; по разности времени прохождения сигнала по потоку и против него и рассчитывается скорость движения воздуха) и непрерывно передают информацию в блок управления 6.

Структурная схема блока управления ультразвукового расходомера 6 представлена на фигуре 2.

Так как каждый из ультразвуковых датчиков 1 и 2 работает и как источник ультразвукового импульса, и как приемник, прием и передача сигналов регулируются микропроцессорным блоком управления 6: сначала осуществляется отправление ультразвукового сигнала датчиком 1, прием сигнала осуществляется датчиком 2; затем наоборот, отправление ультразвукового сигнала осуществляется датчиком 2, а прием сигнала осуществляется датчиком 1.

Принцип измерения скорости проходящего по тормозной магистрали сжатого воздуха основан на измерении разности между временем прохождения ультразвуковых импульсов по направлению потока воздуха и против него. По разности времени прохождения ультразвуковых импульсов в микропроцессорном блоком управления 6 определяется скорость проходящего воздуха и, при известном диаметре трубопровода, производится вычисление его объема, прошедшего через данный участок тормозной магистрали за единицу времени. Используя значения давления сжатого воздуха за счет встроенного в расходомер датчика давления 4, в блоке управления 6 рассчитывается массовый объем сжатого воздуха, а используя значения температуры, измеренной встроенным датчиком температуры 5, рассчитывается массовый объем сжатого воздуха, приведенный к нормальным условиям по температуре.

Расположение ультразвуковых датчиков 1 и 2 под углом 30° к трубопроводу позволяет, в отличие от расположения 90°, 60°, или 45°, обеспечить измерение расхода сжатого воздуха в заданном широком диапазоне (от 1 до 10000 литров в минуту), а две линии связи CAN и RS-485 микропроцессорного блока управления 6 позволяют передавать информацию о расходе сжатого воздуха в тормозной магистрали поезда (и о его изменении) в любую систему управления локомотива (или непосредственно на отдельный дисплей в кабине управления), что делает расходомер универсальным диагностическим прибором для выявления ледяных пробок, перекрытия концевых кранов в поезде, разрыва тормозной магистрали.

Изобретение относится к устройствам измерения объемного расхода, в частности ультразвуковому расходомеру сжатого воздуха тормозной магистрали поезда. Технический результат - качественное, надежное и непрерывное измерение скорости воздушного потока и массового расхода сжатого воздуха в трубопроводе тормозной магистрали поезда. Результат достигается тем, что предложен ультразвуковой расходомер сжатого воздуха тормозной магистрали поезда, содержащий корпус, в котором герметично установлены два ультразвуковых датчика, расположенных в корпусе напротив друг друга под углом 30° к трубопроводу, не изменяя сечение магистрали, а также датчик давления и датчик температуры, соединенные кабелями с микропроцессорным блоком управления, выполненным с возможностью непрерывного контроля изменения расхода сжатого воздуха в диапазоне от 1 до 10000 литров в минуту по сигналам от датчиков и передачи информации по линиям связи CAN и RS-485, при этом данный расходомер выполнен с возможностью выявления наличия ледяных пробок, перекрытия концевых кранов в поезде и разрыва тормозной магистрали. 2 ил.

Ультразвуковой расходомер сжатого воздуха тормозной магистрали поезда, содержащий корпус, в котором герметично установлены два ультразвуковых датчика, расположенных в корпусе напротив друг друга под углом 30° к трубопроводу, не изменяя сечение магистрали, а также датчик давления и датчик температуры, соединенные кабелями с микропроцессорным блоком управления, выполненным с возможностью непрерывного контроля изменения расхода сжатого воздуха в диапазоне от 1 до 10000 литров в минуту по сигналам от датчиков и передачи информации по линиям связи CAN и RS-485, при этом данный расходомер выполнен с возможностью выявления наличия ледяных пробок, перекрытия концевых кранов в поезде и разрыва тормозной магистрали.