Универсальный электронно-оптический шариковый расходомер жидкости Российский патент 2025 года по МПК G01F1/05 

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

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

Заявленный электронно-оптический шариковый расходомер жидкости назван универсальным, так как он способен функционировать при различной прозрачности жидкости без необходимости изменения (регулировки) режимов работы активных компонентов электронно-оптической схемы.

Известно много вариантов конструкций шариковых расходомеров, отличающихся конструктивными особенностями гидромеханической части, способом преобразования скорости вращения шарика в кольцевом канале и, следовательно, 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 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.; Шонин Л.Н., Комаров Ю.А., Коноплев Ю.С. Методика расчета скоростных расходомеров с вращающимся шаром. М., НИИтеплоприбор, 1965 (Труды института №4); 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 Qmax / Qmin = 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.

Известен 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.

Этот расходомер 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 уго коэффициент усиления по току β в схеме с общим эмиттером, возрастает ток базы Iб.VT1 = Iобр.VD2, и, в результате, увеличивается ток коллектора транзистора VT1: Iк = β⋅Iб.VT1. Значит, увеличивается падение напряжения на резисторе R1: U_R1 = Iк⋅R1, и снижается напряжение, приложенное к светодиоду VD1, а это снижает излучаемый им световой поток, что увеличивает вероятность возникновения триггерного эффекта.

3. 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 увеличения диаметра корпуса, его выполнение из двух частей, что 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.

Наиболее близким по конструкции, принципу действия и достигаемому результату является электронно-оптический шариковый расходомер жидкости [патент на изобретение RU 2826379 С1, МПК G01F 1/06, опубл. 09.09.2024 г.] с двумя вариантами размещения электронно-оптической схемы относительно гидромеханической части расходомера (непосредственно на корпусе расходомера или во вторичном преобразователе, соединённом с оптической зоной кольцевого канала двумя оптоволоконными световодами), в котором в качестве светоизлучателя используется светодиод, а в качестве фотоприёмника используется фототранзистор с возможностью фиксации режимов их работы двумя резисторами с учётом пороговых напряжений срабатывания и отпускания триггера Шмитта, вход которого соединён с коллектором фототранзистора.

Недостатком данного электронно-оптического шарикового расходомера жидкости является ограничение области его практического использования в промышленности в связи с зависимостью от прозрачности жидкости.

При серийном производстве расходомеров жидкости любого типа каждое готовое изделие должно быть поверено и опломбировано в Региональном центре стандартизации, метрологии и испытаний Госстандарта России. Поверка расходомеров на аттестованном стенде осуществляется на чистой воде при нормированной температуре. В реальных условиях эксплуатации ЭОШРЖ прозрачность и температура жидкости могут быть другими, например прозрачность ниже, а температура выше. При этом, когда шарик ЭОШРЖ находится вне оптической зоны кольцевого канала, изменяются режимы работы светодиода VD1 и фототранзистора VT1, и, если напряжение коллектора фототранзистора окажется за пределами зоны гистерезиса триггера Шмитта DD1, то электронно-оптическая схема прекратит преобразование угловой скорости вращения шарика в кольцевом канале в частоту следования выходных импульсов ЭОШРЖ.

Вторым недостатком прототипа следует считать зависимость от температуры коэффициентов преобразования светодиода VD1 и фототранзистора VT1, а также порогов срабатывания и отпускания триггера Шмитта DD1.

Третьим недостатком прототипа является низкая нагрузочная способность триггера Шмитта в интегральном исполнении (единицы миллиампер), что не позволяет присоединить к выходу прототипа без специальных адаптеров электропроводную, оптоволоконную или радиотехническую линию связи для передачи выходного сигнала расходомера в пункт назначения.

Четвёртый недостаток прототипа заключается в том, что длительность выходных импульсов зависит от частоты вращения шарика (расхода жидкости). Это затрудняет формирование выходного сигнала расходомера в виде двоичного кода.

В совокупности четыре указанных недостатка известного ЭОШРЖ не позволяют его считать пригодным к серийному производству и к использованию в системах контроля расхода и количества жидкости, имеющей различную прозрачность и нестабильную температуру, то есть, если расходомер проходит поверку в Центре стандартизации, метрологии и испытаний на воде, то он будет пригоден к эксплуатации только в водяных системах.

Задачей изобретения является создание универсального ЭОШРЖ в отношении прозрачности жидкости и температуры расходомера, значительное увеличение его нагрузочной способности.

Технический результат - обеспечение независимости функционирования ЭОШРЖ от прозрачности жидкости и температуры расходомера, значительное увеличение его нагрузочной способности без использования усилителя мощности выходного импульсного сигнала.

Поставленная задача решается, и технический результат достигается электронно-оптическим шариковым расходомером жидкости, состоящим из корпуса с кольцевым каналом, в котором свободно может вращаться шарик, имеющий нулевую плавучесть в жидкости, струенаправляющего аппарата и узла съема электрического сигнала, содержащего светодиод и фототранзистор, размещенные непосредственно в зоне кольцевого канала или во вторичном электронном преобразователе и оптически связанные с кольцевым каналом посредством оптоволоконных световодов, в котором, в отличие от прототипа, электрическая схема узла съема электрического сигнала дополнительно содержит биполярный транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, коллектор которого через разделительный конденсатор соединён с -входом интегрального аналогового таймера, постоянное напряжение на котором задаётся резистивным делителем напряжения на уровне больше одной трети, но меньше двух третьих напряжения питания схемы.

Сущность изобретения поясняется следующими фигурами.

На Фиг.1 представлена реализация ЭОШРЖ с размещением узла съема электрического сигнала в оптической зоне расходомера, где 1 - монолитный корпус расходомера со ступицей 3; 2 - монолитный струенаправляющий аппарат; 4 - шарик, имеющий светоотражающую поверхность и нулевую плавучесть в жидкости; 5 - узел съёма электрического сигнала, герметично установленный в корпусе, в котором размещены под углом друг к другу светодиод VD1 и фототранзистор VT1.

На Фиг.2 представлена реализация ЭОШРЖ с размещением узла съема электрического сигнала во вторичном преобразователе. Светодиод VD1 и фототранзистор VT1 размещены во вторичном электронном преобразователе и оптически связаны с кольцевым каналом посредством оптоволоконных световодов 6 и 7.

На Фиг.3 представлена электрическая схема заявленного ЭОШРЖ, состоящая из светодиода VD1, фототранзистора VT1, усилителя выходного тока фототранзистора на биполярном n-p-n транзисторе VT2, интегрального аналогового таймера DA1, резистивного делителя напряжения R3, R5, интегрирующей R4C2-цепочки и разделительного конденсатора C1.

В схеме на Фиг.3 обозначены внешние выводы интегрального аналогового таймера DA1: - разрешение функционирования таймера; +U - положительное напряжение питания Uп; -U - отрицательное напряжение питания, общая шина схемы; Q - выход; C - выход с открытым коллектором; UR - контроль порогового напряжения, равного 2/3Uп; R - вход для возврата таймера в исходное состояние Q = «0», при напряжении на нём UR ≥ 2/3Uп; - вход для переключения таймера в состояние Q = «1», если напряжение на этом входе ≤ 1/3Uп.

На Фиг.4 показаны угловые диаграммы выходного тока фототранзистора Iэ.VT1(ϕ), напряжения U(ϕ) на входе аналогового таймера DA1, выходного импульсного напряжения ЭОШРЖ Uвых(ϕ), а также пороговые напряжения таймера DA1, равные по входу 1/3Uп и 2/3Uп по входу R, всегда неизменные у интегральных аналоговых таймеров как отечественного, так и зарубежного производства.

Из двух представленных реализаций ЭОШРЖ (фиг.1, 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 случае реализации расходомера или между оптоволоконными световодами во втором случае реализации 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 Iпр.VD1 = (Uп - Uпр.VD1)/R1 фиксируется резистором R1 на максимально допустимое значение, при заданном стабилизированном напряжении электропитания Uп, известных прямом падении напряжении на светодиоде Uпр.VD1 и зависимости силы излучаемого света от величины прямого тока Iпр.VD1 с учётом предполагаемого диапазона изменения эксплуатационной температуры расходомера, являющихся справочными параметрами выбранного типа светодиода.

При вращении шарика в кольцевом канале ЭОШРЖ световой поток, отражённый поверхностью шарика в направлении базы фототранзистора VT1 (непосредственно или через оптоволоконный световод) вызывает пульсирующее изменение его выходного тока Iэ.VT1(ϕ), который усиливается биполярным n-p-n транзистором в β раз: Iк.VT2 = Iэ.VT1⋅β, где β - коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером используемого транзистора.

Выходное коллекторное напряжение усилителя на транзисторе VT2 без постоянной составляющей этого напряжения, благодаря применению разделительного конденсатора C1, является входным напряжением по -входу интегрального аналогового таймера DA1, но смещённого делителем напряжения R3, R5 таким образом, чтобы таймер формировал выходные импульсы требуемой длительности, независимо от частоты их следования.

Как видно на Фиг.4, напряжение U.0, когда шарик находится за пределами оптической зоны кольцевого канала ЭОШРЖ, должно быть больше нижнего порога срабатывания таймера DA1: U.0 > 1/3Uп на несколько процентов от напряжения электропитания схемы Uп. Когда шарик оказывается в оптической зоне фототранзистора VT1, амплитуда переменной составляющей выходного коллекторного напряжения транзистора VT2 должна быть меньше нижнего порога срабатывания таймера, то есть U(ϕ) < 1/3Uп. Это условие обеспечивается выбором, с помощью резистора R2, коэффициента усиления по напряжению усилителя на биполярном транзисторе VT2: K ≥ β⋅R2||(R3||R5)/Rб.э.VT2, где Rб.э.VT2 - сопротивление между базой и эмиттером транзистора VT2 в активной зоне его входной вольт-амперной характеристики.

Требуемая длительность выходных импульсов Tи фиксируются постоянной времени R4C2 согласно формуле Tи = -R4C2⋅ln(1/3) ≈ 1,1⋅R4C2.

Таким образом, если прозрачность жидкости уменьшится, и, следовательно, уменьшится световой поток, достигающий базы фототранзистора, но коэффициент усиления по напряжению усилителя на транзисторе VT2 достаточен по величине, чтобы выполнялось условие превышения амплитуды его коллекторного напряжения U(ϕ) порогового напряжения таймера по входу , равного 1/3Uп, режим работы таймера не изменится, так как по постоянному току он изолирован от фототранзистора VT1 с усилителем на транзисторе VT2 разделительным конденсатором C1.

В данном изобретении обеспечивается требуемая стабильность метрологических характеристик при изменении температуры жидкости и расходомера, в целом, благодаря двум факторам:

Во-первых, увеличение температуры светодиода VD1 приводит к снижению излучаемого светового потока, уменьшается коэффициент преобразования фототранзистора VT1, что в совокупности приводит к уменьшению его тока эмиттера, но одновременно при увеличении температуры возрастает коэффициент усиления по току β биполярного транзистора VT2, то есть в заявленной электрической схеме имеет место взаимокомпенсация дестабилизирующих факторов.

Во-вторых, при неполной взаимокомпенсации этих факторов, что практически имеет место в полупроводниковых электронных схемах, изменится напряжение коллектора транзистора VT2, но в заявленном ЭОШРЖ интегральный аналоговый таймер DA1 не реагирует на статическое изменение напряжения на коллекторе транзистора VT2 благодаря включению на -входе разделительного конденсатора C1. Таймер DA1 получает на -входе только переменную составляющую коллекторного напряжения транзистора VT2, причём его дифференцированную составляющую, которая возникает только при вращении шарика в кольцевом канале в момент пересечения его оптической зоны.

Итак, заявленный универсальный электронно-оптический расходомер работоспособен при различных прозрачностях жидкости, не требуя никакой регулировки режимов работы активных компонентов схемы, имеет неизменную и требуемую длительность импульсов выходного импульсного напряжения, высокую нагрузочную способность и стабильность по температуре жидкости и, в целом, расходомера.

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в расходометрии жидкостей, сжиженного газа и ароматических углеводородов в химической, нефте- и газоперерабатывающей, пищевой, фармацевтической и других областях промышленности. Электронно-оптический шариковый расходомер жидкости 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 светодиод и фототранзистор, размещенные непосредственно в зоне кольцевого канала или во вторичном электронном преобразователе и оптически связанные с кольцевым каналом посредством оптоволоконных световодов, при этом электрическая схема узла съема электрического сигнала дополнительно содержит биполярный транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, коллектор которого через разделительный конденсатор соединён с -входом интегрального аналогового таймера, постоянное напряжение на котором задаётся резистивным делителем напряжения на уровне больше одной трети, но меньше двух третьих напряжения питания схемы. Технический результат - обеспечение независимости функционирования ЭОШРЖ от прозрачности жидкости и температуры расходомера, значительное увеличение его нагрузочной способности без использования усилителя мощности выходного импульсного сигнала. 4 ил.

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 светодиод и фототранзистор, размещенные непосредственно в зоне кольцевого канала или во вторичном электронном преобразователе и оптически связанные с кольцевым каналом посредством оптоволоконных световодов, отличающийся тем, что электрическая схема узла съема электрического сигнала дополнительно содержит биполярный транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, коллектор которого через разделительный конденсатор соединён с -входом интегрального аналогового таймера, постоянное напряжение на котором задаётся резистивным делителем напряжения на уровне больше одной трети, но меньше двух третьих напряжения питания схемы.