Универсальный шариковый расходомер электропроводной жидкости Российский патент 2025 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 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 ферримагнитного 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 в нём (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, два, 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.

Известен 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 этого первичного преобразователя расхода жидкости 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 зависит от вида жидкости, её электропроводности; незащищённость схемы от воздействия электрических и электромагнитных помех.

Наиболее близким по конструкции, принципу действия и достигаемому техническому результату является шариковый расходомер электропроводной жидкости [патент RU 2828173 C1, МПК G01F 1/05, опубл. 07.10.2024 г.], 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.

Этот расходомер, являющийся прототипом заявленного ШРЭЖ, имеет недостаток, который ограничивает его работоспособность в реальных условиях эксплуатации в промышленном производстве, где очень велика вероятность воздействия на электронный преобразователь ШРЭЖ электрических и электромагнитных помех, источниками которых являются электросеть 220 и 380 В частотой 50 Гц, мощные полупроводниковые преобразователи частоты и управляемые электроприводы, а также электросварочное оборудование и электрическая дуга.

Недостаточная помехоустойчивость прототипа становится более нетерпимой, если расходомер эксплуатируется в системах с пластмассовыми трубопроводами.

Недостаточная помехозащищённость прототипа обусловлена использованием операционного усилителя DA1 с неодинаковыми электрическими цепями по переменному току на его неинвертирующем и инвертирующем входах, кроме того, недостаточная помехозащищенность проявляется из-за реализуемого в электронной схеме эффекта квазидифференцирования напряжения на сигнальном электроде Э1. Увеличение ёмкости блокирующего конденсатора C1 - не эффективное схемотехническое решение, так как снижает амплитуду сигнала на электроде Э1, что может вызвать пропуск соответствующего импульса на выходе операционного усилителя и, следовательно, увеличение погрешности измерения расхода жидкости.

Второй недостаток прототипа заключается в зависимости синфазного напряжения на входах операционного усилителя от электропроводности жидкости, которая зависит от вида жидкости и её температуры. Это может вызвать нарушения начальной балансировки операционного усилителя подстроечным резистором R5 рассматриваемой схемы прототипа и, как следствие, исчезновение выходных импульсов. Более того, нельзя пренебречь температурным дрейфом разности входных токов и приведённого ко входу напряжения смещения операционного усилителя DA1 прототипа.

Третий недостаток рассматриваемой электронной схемы прототипа является очень низкая нагрузочная способность интегральных операционных усилителей, что не позволяет подключить к его выходу без специальных адаптеров электропроводные, оптические или радиотехнические линии передачи выходного сигнала расходомера на требуемое расстояние по пункта назначения.

Четвёртым недостатком прототипа является зависимость длительности выходных импульсов и их фронтов от частоты вращения шарика в кольцевом канале. Этот фактор препятствует осуществлению преобразования частоты выходного импульсного напряжения в двоичный код, когда расходомер используется в системах автоматического управления производственными процессами.

Задачей изобретения является создание универсального ШРЭЖ, работоспособного с любыми электропроводными жидкостями, обладающего высокими метрологическими характеристиками в реальных условиях эксплуатации, пригодного для серийного производства с использованием аддитивных технологий, что значительно расширяет области практического использования расходомера в промышленности и социальной сфере экономики.

Техническим результатом заявленного изобретения является обеспечение независимости метрологических характеристик шарикового расходомера электропроводной жидкости от вида, электропроводности и температуры жидкости, от электрических и электромагнитных помех, от частоты вращения шарика в кольцевом канале, а также увеличение его нагрузочной способности.

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, который свободно может вращаться в кольцевом канале, образованном между корпусом и струенаправляющим аппаратом, двух электродов, размещённых в кольцевом канале, один из которых является сигнальным, и электронного преобразователя, соединенного посредством электродов с кольцевым каналом, в котором, в отличие от прототипа, сигнальный электрод подключен через резистор к положительной шине стабилизированного напряжения питания и к затвору полевого транзистора с изолированным затвором через разделительный конденсатор, сток которого соединён через разделительный конденсатор с -входом интегрального аналогового таймера, причём к затвору полевого транзистора и -входу таймера подключены резистивные делители стабилизированного напряжения питания.

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

На Фиг.1 представлена принципиальная схема заявленного ШРЭЖ, где 1 - корпус расходомера, изготовленный из диэлектрического материала вместе со ступицей 2; 3 - винтообразный струенаправляющий аппарат, который без люфта вставляется в корпус 1 и вместе со ступицей формирует кольцевой канал; 4 - шарик, изготовленный из диэлектрического материала и имеющий нулевую плавучесть в жидкости, который свободно может вращаться в кольцевом канале; Э1 и Э2 - электроды, установленные заподлицо в кольцевом канале и изготовленные из электрохимически инертного материала к жидкости, из которых Э1 является сигнальным электродом; 5 - электронный преобразователь, соединенный посредством электродов с кольцевым каналом.

Шарик 4, вращаясь в кольцевом канале, за один оборот один раз оказывается между электродами Э1 и Э2 и изменяет сопротивление жидкости между ними. Так как между электродами через жидкость протекает электрический ток, величина которого фиксируется электронным преобразователем, то между электродами в рассматриваемый момент времени возникает импульс напряжения, которое является входным напряжением электронного преобразователя.

На Фиг.2 представлена схема электронного преобразователя заявленного ШРЭЖ, содержащая: резистор R1, задающий протекающий через жидкость ток между электродами Э1 и Э2; сопротивление жидкости между электродами Rж; усилитель переменного напряжения на полевом n-канальном транзисторе с изолированным затвором VT1, режим работы которого при постоянном токе задан резистивным делителем напряжения R2, R3, а необходимый коэффициент усиления по напряжению фиксируется сопротивлением резистора R4; интегральный аналоговый таймер DA1, начальное состояние которого установлено резистивным делителем напряжения R5, R6 на -входе, а функциональное назначение определяется подключением к R-входу и C-выходу (с открытым коллектором) интегрирующей R7C4-цепочки; блокирующие конденсаторы C1 и C5, позволяющие увеличить помехозащищённость электронного преобразователя; разделительные (по постоянному току) конденсаторы C2 и C3.

Внешний вывод микросхемы аналогового таймера DA1 подключен к положительной шине стабилизированного напряжения питания Uп, что разрешает его функционирование в режиме ждущего мультивибратора, обеспечивающего требуемую длительность импульсов Tи выходного импульсного напряжения Uвых ШРЭЖ. При действии на -входе низкого потенциала микросхема DA1 не работает.

Внешний вывод микросхемы UR, служащий для контроля порогового напряжения, равного 2/3Uп, и коррекции этого напряжения в электронной схеме ШРЭЖ не используется, поэтому он соединен конденсатором C5 с общей шиной, в соответствии с классическими рекомендациями к схемотехнике интегральных аналоговых таймеров.

На Фиг.3 представлены угловые диаграммы напряжений UЭ1(ϕ) - на электроде Э1, U(ϕ) - на -входе таймера, выходное импульсное напряжение Uвых(ϕ) электронного преобразователя, в которых ϕ - угловое положение шарика в кольцевом канале ШРЭЖ, а также стабилизированное напряжение электропитания схемы Uп, пороговые напряжения UR = 2/3Uп и U = 1/3Uп интегрального аналогового таймера DA1.

Из представленных угловых диаграмм UЭ1(ϕ), U(ϕ), и Uвых(ϕ) следует, что электронный преобразователь в процессе вращения шарика в кольцевом канале ШРЭЖ с частотой, равной 1/T, оказывается в двух различных состояниях, при которых шарик находится далеко от зоны электродов Э1-Э2 и не влияет на сопротивление жидкости Rж между электродами, и сопротивление жидкости между ними увеличивается на ΔRж.

Абсолютное увеличение сопротивления между электродами до значения Rж + ΔRж зависит от вида жидкости и её температуры, расстояния между электродами и их диаметра, диаметра шарика, соотношения внешнего и внутреннего диаметров кольцевого канала.

На Фиг.3, как пример, показано первое состояние электронного преобразователя при Rж = R1 и, следовательно, UЭ1 = 0,5⋅Uп. Блокирующий конденсатор C1 снижает вероятность модуляции напряжения UЭ1 электрическими и электромагнитными помехами. Напряжение UЭ1 на сигнальном электроде Э1 непосредственно зависит от электропроводности жидкости и её температуры. Но разделительный конденсатор C2 не пропускает постоянную составляющую напряжения UЭ1 на вход усилителя на полевом транзисторе VT1, значит, она не изменит его режим работы, который задан только резистивным делителем напряжения R2, R3 и сопротивлением R4.

В первом состоянии электронного преобразователя резистивным делителем напряжения R2, R3 на затворе полевого транзистора VT1 фиксируется напряжение UЗ.VT1 = UпR3/(R2+R3) так, чтобы транзистор находился в запертом состоянии (в режиме класса B), и напряжение на его стоке практически достигало бы напряжения питания Uп схемы. Сопротивление R4 в стоковой цепи полевого транзистора VT1, определяющего коэффициент усиления по напряжению усилителя на полевом транзисторе с известной крутизной вольт-амперной характеристики, включенного по схеме с общим истоком, задаётся такой величины, чтобы на -входе аналогового таймера DA1 напряжение падало ниже его порога U = 1/3Uп во всём диапазоне изменения частоты выходного импульсного напряжения Uвых(ϕ) электронного преобразователя ШРЭЖ.

Использование разделительного конденсатора C3 гарантирует защиту таймера DA1 по -входу от температурного дрейфа усилителя на транзисторе VT1.

Длительность импульсов Tи выходного импульсного напряжения заявленного ШРЭЖ устанавливается интегрирующей цепочкой R7C4 в соответствии с известной формулой постоянной времени: Tи = -R7C4⋅ln(1/3); с достаточной точностью Tи = 1,1⋅R7C4. Следует принять во внимание, что длительность выходных импульсов не может быть задана больше, чем ожидаемая максимальная частота вращения шарика в кольцевом канале.

В заявленной схеме электронного преобразователя ШРЭЖ осуществляется двойная защита интегрального аналогового таймера DA1 от изменения вида, электропроводности и температуры жидкости, благодаря использованию усилителя переменного напряжения на транзисторе VT1 с разделительными конденсаторами на его входе и выходе, что позволяет обеспечить универсальность заявленного ШРЭЖ.

Итак, в заявленном универсальном шариковом расходомере электропроводной жидкости обеспечивается независимость его метрологических характеристик от вида, электропроводности и температуры жидкости, от температурного дрейфа полевого транзистора, а также высокая нагрузочная способность и постоянство длительности импульсов выходного напряжения.

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в расходометрии электропроводной жидкости 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. Шариковый расходомер электропроводной жидкости состоит из корпуса, струенаправляющего аппарата, шарика, выполненного из диэлектрического материала с нулевой плавучестью в жидкости, который свободно может вращаться в кольцевом канале, образованном между корпусом и струенаправляющим аппаратом, двух электродов, размещённых в кольцевом канале, один из которых является сигнальным, и электронного преобразователя, соединенного посредством электродов с кольцевым каналом. Сигнальный электрод подключен через резистор к положительной шине стабилизированного напряжения питания и через разделительный конденсатор к затвору полевого транзистора с изолированным затвором, сток которого соединён через разделительный конденсатор с -входом интегрального аналогового таймера, причём к затвору полевого транзистора и -входу таймера подключены резистивные делители стабилизированного напряжения питания. Технический результат - обеспечение независимости метрологических характеристик шарикового расходомера электропроводной жидкости от вида, электропроводности и температуры жидкости, от электрических и электромагнитных помех, от частоты вращения шарика в кольцевом канале, а также увеличение его нагрузочной способности. 3 ил.

Шариковый расходомер электропроводной жидкости, состоящий из корпуса, струенаправляющего аппарата, шарика, выполненного из диэлектрического материала с нулевой плавучестью в жидкости, который свободно может вращаться в кольцевом канале, образованном между корпусом и струенаправляющим аппаратом, двух электродов, размещённых в кольцевом канале, один из которых является сигнальным, и электронного преобразователя, соединенного посредством электродов с кольцевым каналом, отличающийся тем, что сигнальный электрод подключен через резистор к положительной шине стабилизированного напряжения питания и через разделительный конденсатор к затвору полевого транзистора с изолированным затвором, сток которого соединён через разделительный конденсатор с -входом интегрального аналогового таймера, причём к затвору полевого транзистора и -входу таймера подключены резистивные делители стабилизированного напряжения питания.