СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ЖИДКОЙ СРЕДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO MEASURE FLUID MEDIUM FLOW AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Область техники
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения расхода воды, бензина, дизельного топлива, керосина.
Предшествующий уровень техники
Известен способ определения расхода топлива (см. описание к а.с. СССР №1835490 А1, МПК G01F 1/66) - аналог предлагаемого способа измерения расхода жидкой среды, заключающийся в периодическом перемещении диафрагмы топливного насоса, по крайним положениям которой судят о расходе топлива из наддиафрагменной полости насоса в напорный трубопровод из диэлектрического материала.
При этом предварительно заполняют напорный трубопровод топливом с минимальным содержанием в нем газовых включений, возбуждают в напорном трубопроводе электромагнитные колебания и фиксируют опорное значение резонансной частоты, при периодическом перемещении диафрагмы возбуждают электромагнитные колебания в поддиафрагменной полости топливного насоса и в напорном трубопроводе, измеряют максимальную разность значений резонансных частот за один цикл перемещения диафрагмы и значение текущей резонансной частоты в напорном трубопроводе, определяют разность между опорным и текущим значениями резонансных частот в напорном трубопроводе, а расход топлива определяют по произведению этих разностей.
В указанном способе-аналоге расход топлива определяют по произведению вышеуказанных разностей резонансных частот.
При периодическом перемещении диафрагмы топливного насоса происходит механический износ и усталость материалов подвижных частей топливного насоса, что снижает точность измерения способа определения расхода топлива.
Наиболее близким аналогом - прототипом предлагаемого способа измерения расхода жидкой среды является способ определения расхода жидкости в трубопроводе (см. описание к патенту Российской Федерации №2190833 С2, МПК G01F 1/58).
В указанном способе определения расхода жидкости в трубопроводе выделяют напряженность магнитного поля в любой точке по периметру измерительного сечения трубопровода, связанную с электрическим зарядом жидкости, преобразуют ее с помощью трансформатора тока, охватывающего трубопровод, в электрический сигнал, пропорциональный расходу.
При этом измерительный участок трубопровода выполняют из полимерного материала с высокой трибоэлектрической способностью и внутренним переменным сечением, имеющим форму последовательно соединенных сужающихся и расширяющихся конусов, и снабжают его металлическим заземлением, обеспечивая тем самым высокую степень поляризации движущейся жидкости.
В способе определения расхода жидкости в трубопроводе расход жидкой среды измеряют за счет изменения напряженности магнитного поля в любой точке по периметру измерительного сечения трубопровода, связанной с электрическим зарядом жидкости. При этом напряженность магнитного поля преобразуют с помощью трансформатора тока, охватывающего трубопровод, в электрический сигнал, пропорциональный расходу.
В способе-прототипе измерительный участок трубопровода выполнен из полимерного материала, который имеет низкую износоустойчивость (стойкость к истиранию).
Вследствие этого при трении движущейся жидкости о стенки трубопровода происходит механический износ измерительного участка трубопровода, снижение степени трибоэлектризации и уменьшение заряда протекающей жидкости, что снижает чувствительность и точность измерения.
Известен поляризационный расходомер (см. описание к а.с. СССР №1553831 А1, МПК G01F 1/56) - аналог предлагаемого устройства для измерения расхода жидкой среды, осуществляющего техническую реализацию предлагаемого способа.
Указанный поляризационный расходомер состоит из диэлектрического корпуса, крышки, входного и выходного каналов, проточной части, рабочего электрода, измерительного электрода, рабочего электрода, измерительного прибора и шпилек, причем измерительный прибор включен между измерительным электродом и общей шиной с помощью шпильки, рабочий электрод соединен с общей шиной с помощью шпильки, а рабочий электрод с помощью шпильки соединен с источником питания.
Поляризационный расходомер работает следующим образом.
Диэлектрическая жидкость поступает в расходомер через входной канал в проточную часть. От источника питания на два рабочих электрода подают высокое напряжение. В жидкости создается электрическое поле, под действием сил которого происходит поляризация диэлектрика жидкости.
Плотность связанных зарядов, образованных в жидкости, пропорциональна напряжению источника питания и скорости потока. Таким образом, сигнал измерительного прибора пропорционален количеству зарядов, снесенных потоком, и однозначно соответствует при постоянном напряжении источника питания расходу жидкости.
В поляризационном расходомере расход жидкости измеряют за счет изменения плотности связанных зарядов, которые образуются в жидкости при ее поляризации электрическим полем.
Для поляризации жидкости необходим высоковольтный источник питания. Вследствие этого поляризационный расходомер не может измерять расход горючих жидкостей, например бензина, дизельного топлива, керосина, что сужает область применения поляризационного расходомера. При этом происходит снижение электробезопасности поляризационного расходомера.
Наиболее близким аналогом - прототипом предлагаемого устройства для измерения расхода жидкой среды, осуществляющего техническую реализацию предлагаемого способа, является расходомер жидкости и газа (см. описание к а.с. СССР №1296845 А1, МПК G01F 1/56).
Расходомер жидкости и газа содержит корпус с каналом, выполненный из немагнитного материала, например из стеклопластика. На внутренней стенке канала корпуса консольно закреплена упругая пластина из ферромагнитного материала, свободный конец которой снабжен постоянным магнитом. На корпусе в виде участка трубопровода установлен электромагнит таким образом, что упругая пластина находится в его магнитном поле. Катушку электромагнита питает управляемый генератор пилообразного напряжения через блок коммутации. Схема управления генератором включает блок питания, подключенный через магнитоуправляемый контакт к входу триггера.
Магнитоуправляемый контакт установлен на корпусе расходомера таким образом, что ось, проходящая через его контакты, параллельна оси корпуса. Магнитоуправляемый контакт защищен от действия поля электромагнита экраном. Постоянный магнит расположен на пластине параллельно оси магнитоуправляемого контакта, а его северный полюс направлен к входу в канал. Вход триггера посредством магнитоуправляемого контакта соединен с блоком питания. Триггер служит для формирования прямоугольного импульса напряжения и исключения лишних срабатываний схемы управления при «дребезге» контактов элемента. Выход триггера соединен с входом дифференцирующей цепи, которая укорачивает запускающий импульс. Выход дифференцирующей цепи соединен с входом ждущего мультивибратора, который служит для выработки нормированного по амплитуде и длительности импульса, необходимого для устойчивого управления блоком коммутации и генератором пилообразного напряжения. Ждущий мультивибратор соединен также с частотным измерителем.
Расходомер жидкости и газа работает следующим образом.
В исходном состоянии, когда движение потока отсутствует, генератор вырабатывает пилообразно меняющееся напряжение, питающее катушку электромагнита. Ток в катушке нарастает до максимальной величины, а затем скачком изменяется до нуля. Такое изменение тока необходимо для того, чтобы пластина с постоянным магнитом плавно отклонялась от своего исходного положения до зоны срабатывания элемента и возвращалась в исходное положение под действием собственных сил упругости при изменении тока в катушке до нуля. Под действием электромагнитного поля пластина с постоянным магнитом движется по направлению к элементу, при этом постоянный магнит перемещается поступательно перпендикулярно оси элемента и пересекает только единственную зону замкнутого состояния контактов элемента. При достижении магнитом зоны срабатывания контакты элемента замыкаются, напряжение от блока поступает на вход триггера, который формирует прямоугольный импульс. Поскольку в процессе работы ждущий мультивибратор не отключается от цепи запуска, то для ослабления влияния на его работу запускающей цепи осуществляется укорочение запускающих импульсов дифференцирующей цепью. Далее импульс поступает на ждущий мультивибратор, соединенный с частотным измерителем. Ждущий мультивибратор вырабатывает прямоугольный импульс, длительность которого достаточна для того, чтобы пластина возвратилась в исходное состояние. Импульс, выработанный ждущим мультивибратором, поступает одновременно на вход генератора пилообразного напряжения, частотный измеритель и блок коммутации. При этом происходит размыкание блока коммутации на время, равное длительности импульса, в результате чего размыкается цепь катушки электромагнита. Пластина с закрепленным на ней постоянным магнитом под действием сил упругости возвращается в исходное состояние. На работу генератора импульс воздействует таким образом, что следующее нарастание напряжения на выходе генератора происходит через время, равное длительности импульса ждущего мультивибратора.
При наличии потока жидкости или газа пластина с постоянным магнитом вследствие увеличения сопротивления движущейся среды достигает максимального отклонения за более длительный промежуток времени. Срабатывание элемента происходит в более поздний момент по сравнению с первоначальным, так как меняется частота срабатывания магнитоуправляемого контакта и соответственно частота следования прямоугольных импульсов, вырабатываемых триггером. При этом изменяется частота импульсов ждущего мультивибратора, который управляет работой блока коммутации и генератором. Частота колебаний выходного напряжения генератора меняется и приводит к соответствующему изменению частоты напряжения в катушке.
Под действием поля электромагнита изменяется частота колебаний пластины. Таким образом, в зависимости от изменения расхода жидкости или газа изменяется частота колебаний пластины с магнитом.
Изменившийся сигнал поступает в схему управления генератором и отображается частотным измерителем расхода.
В расходомере жидкости и газа измерение расхода жидкости или газа происходит за счет изменения частоты колебаний упругой пластины с магнитом, которая отображается частотным измерителем расхода.
При большом числе колебаний упругой пластины с магнитом происходит изменение упругих свойств пластины, что снижает точность измерения расхода жидкости или газа.
В проточной части трубопровода расходомера жидкости и газа установлены упругая пластина с магнитом, что снижает точность измерения и технологичность изготовления.
Раскрытие изобретения
Задачей создания изобретения является разработка способа для измерения расхода жидкой среды, который расширяет арсенал технических средств для измерения расхода жидкой среды и повышает точность измерения, а также создание устройства для измерения расхода жидкой среды, осуществляющего техническую реализацию предлагаемого способа, которое имеет более высокие точность измерения и технологичность изготовления.
Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в 1-м пункте формулы изобретения, общих со способом-прототипом, таких как способ измерения расхода жидкой среды, заключающийся в том, что внутри трубопровода из диэлектрического материала помещают, перемещают и поляризуют жидкую среду, и отличительных существенных признаков, таких как - в колебательном контуре, который содержит катушку индуктивности колебательного контура и конденсатор колебательного контура, возбуждают резонансные колебания электромагнитного поля, перемещают жидкую среду в магнитном поле, поляризуют жидкую среду под действием силы Лоренца, вследствие этого изменяют электрическое поле конденсатора колебательного контура в жидкой среде, диэлектрическую проницаемость жидкой среды, а также длительность первого и второго полупериодов периода резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура, а расход жидкой среды измеряют за счет изменения длительности первого или второго полупериодов периода резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура.
В пункте 2 формулы изобретения нашла отражение особенность перемещения жидкой среды в трубопроводе, а именно перемещают жидкую среду в постоянном магнитном поле.
В пункте 3 формулы изобретения нашла отражение особенность выполнения трубопровода, а именно трубопровод предпочтительно выполняют из керамического материала, который имеет высокую стойкость к истиранию.
В предлагаемом способе при перемещении жидкой среды в постоянном магнитном поле происходит поляризация жидкой среды под действием силы Лоренца.
Вследствие этого изменяют электрическое поле конденсатора колебательного контура в жидкой среде, диэлектрическую проницаемость жидкой среды, а также длительность первого и второго полупериодов периода резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура.
При этом расход жидкой среды измеряют за счет изменения длительности первого или второго полупериодов периода резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура, что расширяет арсенал технических средств для измерения расхода жидкой среды.
Трубопровод предлагаемого способа измерения расхода жидкой среды предпочтительно выполняют из керамического материала, который имеет высокую стойкость к истиранию.
Вследствие этого снижается механический износ трубопровода при перемещении жидкой среды, что повышает точность измерения.
Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в 4-м пункте формулы изобретения, общих с устройством-прототипом, таких как устройство для измерения расхода жидкой среды, содержащее жидкую среду, размещенную в трубопроводе, магнит и катушку индуктивности, и отличительных существенных признаков, таких как устройство содержит колебательный контур, который содержит катушку индуктивности колебательного контура и конденсатор колебательного контура, при этом жидкая среда размещена в трубопроводе между полюсными наконечниками магнита, а также между первой и второй обкладками конденсатора колебательного контура.
В пункте 5 формулы изобретения нашла отражение особенность размещения жидкой среды в трубопроводе, а именно жидкая среда размещена в трубопроводе между полюсными наконечниками постоянного магнита.
В проточной части трубопровода нет элементов, входящих в состав предлагаемого устройства для измерения расхода жидкой среды, что повышает точность измерения и технологичность изготовления.
В предлагаемом устройстве жидкую среду поляризуют под действием силы Лоренца, которая наводится в жидкой среде при перемещении жидкой среды в постоянном магнитном поле постоянного магнита. Вследствие этого для поляризации жидкой среды не требуется источник питания, что повышает технологичность изготовления устройства, осуществляющего техническую реализацию предлагаемого способа.
Вышеперечисленная совокупность существенных признаков позволяет получить следующий технический результат - расширение арсенала технических средств для измерения расхода жидкой среды, повышение точности измерения и технологичности изготовления.
На чертеже изображена структурная схема устройства для измерения расхода жидкой среды.
Осуществление изобретения
Предлагаемое устройство для измерения расхода жидкой среды содержит жидкую среду 2, размещенную внутри трубопровода 1 из диэлектрического материала (см. чертеж), постоянный магнит 4, колебательный контур и измерительную схему 5.
Функцию жидкой среды 2 могут выполнять диэлектрическая жидкая среда, например бензин, дизельное топливо, керосин, или малопроводящая (или слабопроводящая) жидкая среда, например водопроводная вода.
Трубопровод 1 предпочтительно выполнен из керамического материала, который имеет высокую стойкость к истиранию.
Трубопровод 1 имеет внутреннее поперечное сечение в виде круга. В общем случае трубопровод 1 может иметь внутреннее поперечное сечение в виде прямоугольника.
На чертеже изображены полюсные наконечники (северный N и южный S полюсы) постоянного магнита 4.
Колебательный контур содержит катушку индуктивности 3 колебательного контура и конденсатор колебательного контура, причем жидкая среда 2 размещена в трубопроводе 1 между полюсными наконечниками постоянного магнита 4, а также между первой 6 и второй 7 обкладками конденсатора колебательного контура.
При этом прямая, проходящая через центры первой 6 и второй 7 обкладок конденсатора колебательного контура и ось трубопровода 1, перпендикулярна прямой, проходящей через центры полюсных наконечников постоянного магнита 4 и ось трубопровода 1.
Первая 6 и вторая 7 обкладки конденсатора колебательного контура размещены на внешней поверхности трубопровода 1. В общем случае первая 6 и вторая 7 обкладки конденсатора колебательного контура могут быть размещены на внутренней поверхности трубопровода 1.
Первый вывод катушки индуктивности 3 колебательного контура соединяют с первой 6 обкладкой конденсатора колебательного контура, а второй вывод катушки индуктивности 3 колебательного контура соединяют со второй 7 обкладкой конденсатора колебательного контура.
Измерительная схема 5 содержит катушку индуктивности 8 подкачки энергии в колебательный контур, катушку индуктивности 9 считывания частоты резонансных колебаний колебательного контура, элемент ИЛИ 10, транзистор 11, компаратор 12, резистор 13 и вычислительное устройство (не показано).
Второй вход 14 элемента ИЛИ 10 является входом запуска непрерывных незатухающих резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура. Выход элемента ИЛИ 10 соединяют с базой транзистора 11, эмиттер которого соединяют с выводом «Общий» питания.
Первый и второй выводы катушки индуктивности 8 подкачки энергии в колебательный контур соединяют соответственно с коллектором транзистора 11 и первым выводом резистора 13, второй вывод которого соединяют с плюсовым выводом 15 источника питания измерительной схемы 5.
Первый и второй выводы катушки индуктивности 9 считывания частоты резонансных колебаний колебательного контура соединяют соответственно с выводом «Общий» питания и прямым входом компаратора 12, на инверсный вход которого подают опорное напряжение. Выход компаратора 12 соединяют с первым входом элемента ИЛИ 10 и вычислительным устройством.
Катушка индуктивности 3 колебательного контура имеет минимальную собственную емкость и максимальную индуктивность, что повышает чувствительность устройства для измерения расхода жидкой среды.
Катушку индуктивности 8 подкачки энергии в колебательный контур и катушку индуктивности 9 считывания частоты резонансных колебаний колебательного контура выполняют намоткой изолированным проводом над катушкой индуктивности 3 колебательного контура.
На чертеже направление потока жидкой среды 2 обозначено стрелкой.
Устройство для измерения расхода жидкой среды, осуществляющее техническую реализацию предлагаемого способа, работает следующим образом.
Внутри трубопровода 1 из диэлектрического материала помещают жидкую среду 2.
После включения питания на второй вход 14 элемента ИЛИ 10 из параллельного канала измерительной схемы 5 подают единичный положительный импульс. С выхода элемента ИЛИ 10 положительный импульс поступает на базу транзистора 11 и открывает его.
В моменты изменения токов в катушке индуктивности 8 подкачки энергии в колебательный контур наводят ЭДС - электродвижущие силы индукции в катушке индуктивности 3 колебательного контура и возбуждают в колебательном контуре резонансные колебания электромагнитного поля.
Частота резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура снимается с катушки индуктивности 9 считывания частоты резонансных колебаний колебательного контура и поступает на вход компаратора 12. С выхода компаратора 12 положительные сигналы прямоугольной формы поступают в вычислительное устройство измерительной схемы 5 и на первый вход элемента ИЛИ 10.
С выхода элемента ИЛИ 10 прямоугольные импульсы поступают на базу транзистора 11, при открывании которого через катушку индуктивности 8 подкачки энергии в колебательный контур протекают токи, при изменении которых в катушке индуктивности 3 колебательного контура наводят ЭДС индукции.
При этом в первые (или положительные) полупериоды колебаний электромагнитного поля колебательного контура подкачка энергии в колебательный контур происходит во время увеличения тока в катушке индуктивности 8 подкачки энергии в колебательный контур, а во вторые (или отрицательные) полупериоды колебаний электромагнитного поля колебательного контура подкачка энергии происходит во время уменьшения тока.
Так как передача энергии в колебательный контур происходит в моменты изменения токов в катушке индуктивности 8 подкачки энергии в колебательный контур (под действием ЭДС индукции наводятся токи, согласные с направлением токов в колебательном контуре). При этом увеличивают амплитуды токов резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура и определяют частоту резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура.
Таким образом, в колебательном контуре, который содержит катушку индуктивности 3 колебательного контура и конденсатор колебательного контура, возбуждают резонансные колебания электромагнитного поля.
В первый полупериод периода резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура вектор напряженности электрического поля конденсатора колебательного контура направлен от первой 6 к второй 7 обкладке конденсатора колебательного контура (сверху вниз).
Во второй полупериод периода резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура вектор напряженности электрического поля конденсатора колебательного контура направлен от второй 7 к первой 6 обкладке конденсатора колебательного контура.
Перемещают жидкую среду 2 в постоянном магнитном поле постоянного магнита 4 и поляризуют жидкую среду 2 под действием силы Лоренца.
Вследствие этого изменяют электрическое поле конденсатора колебательного контура (внешнее электрическое поле) в жидкой среде 2, диэлектрическую проницаемость жидкой среды 2, а также длительность первого и второго полупериодов периода резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура, а расход жидкой среды 2 измеряют за счет изменения длительности первого или второго полупериодов периода резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура.
Во время первого полупериода периода резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура направление силы Лоренца и направление вектора напряженности электрического поля конденсатора колебательного контура совпадают.
Во время второго полупериода периода резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура направление силы Лоренца противоположно направлению вектора напряженности электрического поля конденсатора колебательного контура.
При увеличении скорости потока жидкой среды 2 происходит увеличение силы Лоренца в жидкой среде 2, а при уменьшении скорости потока жидкой среды 2 происходит уменьшение силы Лоренца в жидкой среде 2.
Поляризация жидкой среды 2 может происходить за счет поляризации молекул, положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных ионов.
При поляризации молекул жидкой среды 2 происходит возникновение в тонком поверхностном слое жидкой среды 2 избытка связанных зарядов одного знака и изменение поверхностной плотности связанных зарядов.
При поляризации положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных ионов жидкой среды 2 происходит перемещение и разделение положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных ионов жидкой среды 2 в направлении и против направления действия силы Лоренца в жидкой среде 2.
При этом происходит изменение плотности положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных ионов в жидкой среде 2.
При увеличении скорости потока жидкой среды 2 во время первого полупериода периода резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура происходит уменьшение (ослабление) электрического поля конденсатора колебательного контура в жидкой среде 2, увеличение диэлектрической проницаемости жидкой среды 2 и длительности первого полупериода периода резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура.
При этом в общем случае результирующее (суммарное) электрическое поле связанных зарядов молекул жидкой среды 2, положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных ионов направлено противоположно направлению вектора напряженности электрического поля конденсатора колебательного контура в жидкой среде 2.
При уменьшении скорости потока жидкой среды 2 во время первого полупериода периода резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура происходит увеличение (усиление) электрического поля конденсатора колебательного контура в жидкой среде 2, уменьшение диэлектрической проницаемости жидкой среды 2 и длительности первого полупериода периода резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура.
При увеличении скорости потока жидкой среды 2 во время второго полупериода периода резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура происходит увеличение (усиление) электрического поля конденсатора колебательного контура в жидкой среде 2, уменьшение диэлектрической проницаемости жидкой среды 2 и длительности второго полупериода периода резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура.
При уменьшении скорости потока жидкой среды 2 во время второго полупериода периода резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура происходит уменьшение (ослабление) электрического поля конденсатора колебательного контура в жидкой среде 2, увеличение диэлектрической проницаемости жидкой среды 2 и длительности второго полупериода периода резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура.
Вследствие этого длительности первого и второго полупериодов периода резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура будут отличаться друг от друга.
Промышленная применимость
Предлагаемые способ измерения расхода жидкой среды и устройство для его осуществления найдут широкое применение в устройствах измерительной техники, специалистам будут очевидны и другие частные случаи автоматизации измерения расхода жидкой среды.
Данное описание и примеры рассматриваются как материал, иллюстрирующий изобретение, сущность которого и объем патентных притязаний определены в нижеследующей формуле изобретения, совокупностью существенных признаков и их эквивалентами.