РАСХОДОМЕР

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, в частности к расходомерам с изменяемым поперечным сечением канала и предназначено для измерения расхода газа и других текучих веществ.
Известен способ измерения расхода газа или жидкости с помощью ротаметра, содержащего вертикальную коническую трубку, в которой свободно перемещается поплавок, меняя при этом сечение отверстия для выхода текучего вещества, сохраняя неизменным перепад давления. Обычно ротаметр имеет конический поплавок с лопатками или зазорами для его раскрутки в среде газа, с целью обеспечения его центрирования в трубке для снижения трения о стенки трубки («Теплотехнические измерения и приборы учебник для ВУЗов, Г.М. Иванов и др. М. Энергоатомиздат 1984 г. стр.131). Недостатками ротаметров являются необходимость их установки только на вертикальных участках трубопроводов, трудности дистанционной передачи информации и записи. Дальнейшее развитие этого вида расходомеров с целью повыщения точности измерения расхода газа с помощью различных усовершенствований отражено в описаниях изобретений по а.с. СССР №1315809, №595625, №1315808, по патенту США №4 523 480 и т.д.
Известны способ и устройство для измерения расхода газа (патент США №4 479 377, GO IF 1/22), в котором устройство содержит закрытый снизу полый цилиндр с отверстием для ввода внутрь газа под давлением. В цилиндре установлен поршень, движущийся по вертикали под воздействием давления газа. Между наружной поверхностью поршня и стенками цилиндра имеется газонепроницаемое жидкостное уплотнение. В стенке цилиндра имеется ряд отверстий определенного диаметра для выхода газа наружу. Благодаря своему небольшому размеру отверстия не пропускают
991117b9GOIF 1/22, 1/34
Расходомер
через себя жидкость указанного уплотнения. Газ под давлением вводится в цилиндр под поршень и вызывает его перемещение. Число открывшихся при этом отверстий используется для дозировки потока и как мера расхода газа. Недостаток этого способа низкая точность измерения, которая определяется числом отверстий в цилиндре, поэтому данное устройство в основном предназначено для калибровки расходомеров.
Наиболее близким по технической суп ;ности и решаемой задаче является расходомер текучей среды (патент США № 4 528 858, G01F 1/24), который содержит корпус с камерой постоянного поперечного сечения, в которой имеются входные и выходные каналы, расположенные с разных ее концов. Между каналами в камере установлен поплавок, поперечное сечение которого соответствует поперечному сечению камеры, но имеет меньшие размеры. Поплавок с помоп ;ью пружины отжимается к входному концу камеры. Камера снабжена рядом отверстий, которые по меньшей мере частично перекрываются поплавком, когда он отжат к входному концу камеры. Давление текучей среды, поступаюш;ей в камеру через входное отверстие, смещает поплавок, последовательно открывая отверстия. Через открьгтые отверстия текучая среда выходит из камеры наружу. Характеристическая кривая, соответствующая значению расхода текучего вещества на выходе измерительного устройства при этом получается ступенчатой, частично сглаженной.
Недостаток этого устройства - низкая точность измерения, которая определяется в основном количеством и диаметром отверстий для выхода основного потока текучей среды., которые поочередно открывает поплавок при своем перемещении под воздействием давления текучей среды, поступающей через входное отверстие. Увеличение количества отверстий для повьппения точности прибора ограничено габаритами прибора и технологическими возможностями производства, поскольку отверстия должны быть расположены в один ряд, последовательно друг за другом.
59 //-/ Щ
59 ///У0
Задачей изобретения является повышение точности измерения расхода контролируемого вещества за счет плавного (непрерывного) увеличения площади сечения отверстия для выхода потока контролируемого вещества и, как следствие - повьщ1ение точности измерения расхода контролируемого вещества до величины, соответствующей точности измерения положения поплавка.
Поставленная задача достигается тем, что в расходомере, содержащем камеру, имеющую входные и выходные каналы, расположенные с разных её концов и каналы для выхода потока контролируемого вещества, расположенные на боковой поверхности камеры, поплавок, выполненный с возможностью перемещения внутри камеры, датчик расходомера, выполненный с возможностью регистрации положения поплавка, выход которого присоединен к входу измерительного устройства, каналы для выхода потока контролируемого вещества выполнены и расположены таким образом, что образуют непрерывное окно, низ и верх которого находятся соответственно в плоскости начальной установки поплавка, и в плоскости, соответствующей положению поплавка при максимальном расходе контролируемого вещества.
Непрерывное окно может иметь форму прямоугольника, трапеции или треугольника, при этом меньшее основание трапеции и острие треугольника находятся в плоскости начальной установки поплавка.
Целесообразно для повышения точности расходомера дополнить его схему датчиком перепада давления, выполненным с возможностью регистрации перепада давления между входными и выходными каналами камеры.
При этом измерительное устройство расходомера может быть вьшолнено в виде первого и второго преобразовательных блоков, вькоды которых подключены к входам блока управления, выходы блока управления подключены к входу блока индикации и входу передатчика, при этом вход первого преобразовательного блока подключен к
датчику расходомера, а вход второго преобразовательного блока к датчику перепада давления.
Целесообразно датчик расходомера выполнить бесконтактным, причем он может быть выполнен оптическим, акустическим, емкостным, или индуктивным. Новым в предлагаемом расходомере является то, что в расходомере каналы для выхода потока контролируемого вещества выполнены и расположены таким образом, что образуют непрерывное окно, низ и верх которого находятся соответственно в плоскости начальной установки поплавка, и в плоскости, соответствующей положению поплавка при максимальном расходе контролируемого вещества. Сечение (форма) окна камеры для выхода потока контролируемого вещества определяет характеристику расходомера зависимость расхода текучего вещества от положения поплавка. Прямоугольная форма окна дает линейную характеристику расходомера. Трапециевидная и треугольная формы окна позволяют повысить точность измерения малого расхода контролируемого вещества на начальном участке движения поплавка. Специальные формы окна могут применяться как для компенсации нелинейности характеристики датчика расходомера, так и для получения специальных характеристик расходомера. Может использоваться как одно окно, так и несколько, одной или различных геометрических форм, расположенных на боковой поверхности камеры, в зависимости от конструктивно-технологических особенностей прибора, необходимым условием для решения поставленной задачи является плавное (непрерывное) изменение площади канала для выхода потока контролируемого вещества, открываемая поплавком при его перемещении.
Датчик перепада давления, выполненный с возможностью регистрации перепада давления между входными и выходными каналами камеры, позволяет повысить точность измерения расхода контролируемого вещества при изменении перепада давления вследствие механических погрешностей или аэродинамического (гидродинамического)
сопротивления контролируемого вещества. При этом измерительное устройство расходомера может быть выполнено с возможностью преобразования сигналов датчика расходомера и датчика перепада давления, подключенных к его входам, в количество текучего вещества, прощедщего через расходомер.
В проанализированной литературе из уровня техники не известно подобное изобретение. Таким образом предлагаемое изобретение соответствует критерию «новизна.
Совокупность отличительных признаков предлагаемого изобретения не следует явным образом из уровня техники для специалиста. Таким образом техническое рещение соответствует критерию «изобретательский уровень.
Изобретение может быть использовано в технике для производства счетчиков газа, расходомеров топлива в двигателях внутреннего сгорания и других текучих сред. Таким образом, оно соответствует критерию «промыщленная применимость.
Далее сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
На фиг. 1 изображена конструкция расходомера. На фиг. 2 изображена структурная схема измерительного устройства. На фиг. 3 изображена структурная схема измерительного устройства в простейщем варианте.
На фиг.1 изображена конструкция расходомера 1, который состоит из камеры 2, имеющей входные каналы 3 и выходные каналы 4, каналы 5 для выхода потока контролируемого вещества, поплавок 6, выполненный с возможностью перемещения внутри камеры 2 под действием собственного веса или пружины 7, частично открывая при перемещении каналы 5 для выхода потока контролируемого вещества. Расходомер 1
.
также содержит датчик расходомера 8, выполненный с возможностью регистрации положения поплавка 6.
Расходомер 1 дополнительно может содержать датчик перепада давления 9, выполненный с возможностью регистрировать перепад давления между входными и выходными каналами камеры 2.
На фиг.2 изображена обобщенная структурная схема измерительного устройства 10, которое включает в себя первый преобразовательный блок 11, блок управления 12, блок индикации 13 и передатчик 14 для дистанционной передачи данных. Выходы датчика расходомера 8, подключены к входу первого преобразовательного блока 11, выход которого подключен к основному входу блока управления 12, к выходам которого подключены входы блока индикации 13 и передатчика 14. Дополнительно измерительное устройство  содержать второй преобразовательный блок 15, к входам которого подключены выходы датчика перепада давления 9, выход преобразовательного блока 15 подключен к дополнительному входу блока управления 12.
На фиг.З изображен вариант структурной схемы измерительного устройства 10 в простейшем варианте исполнения - для дифференциального индуктивного датчика расходомера 8, которое включает в себя первый преобразовательный блок 11, выполненный на основе двух измерительных LC-генераторов 16, 17, выходы которых подключены к входам смесителя частоты 18, который выполнен с возможностью выделять разностнзоо частоту LC-генераторов 16, 17, блок управления 12, выполненный с возможностью вычислять расход текучего вещества, исходя из положения поплавка 6, блок индикации 13, передатчик 14.
Расходомер работает следующим образом. Поток контролируемого вещества поступает во входной канал 3 камеры 2, создавая перепад давления между полостями камеры 2, разделенными поплавком 6 - между входным каналом 3 и выходным каналом 4
камеры 2. Под воздействием силы взаимодействия между собственным весом или пружины 7 и перепадом давления, поплавок 6 начинает перемещаться внутри камеры 2, открывая при этом частично канал 5 для выхода потока контролируемого вещества, который вьшолнен в виде непрерывного окна. Сечение (форма) этого окна 5 определяет характеристику расходомера - зависимость расхода текучего вещества от положения поплавка 6. Например, прямоугольное отверстие дает линейную характеристику, специальные формы окна 5 могут применяться для компенсации нелинейности характеристики датчика расходомера 8 и т.п. Как только силы взаимодействия уравновешиваются, поплавок 6 останавливается (на высоте подъема равной А). Камера 2 может иметь форму цилиндра, а поплавок 6 - форму поршня. Поплавок 6 может иметь специальные формы поверхности для снижения трения о стенки камеры 2 и снижения протока текучего вещества между стенками камеры 2 и поплавка 6 через выходной канал 4. В частности поплавок б в виде поршня может иметь гантелеобразную форму для снижения трения о стенки камеры 2, вьшолненную в виде цилиндра (иметь утончение в средней части) и иметь обтюраторные (унлотнительные) канавки (на выступах) для снижения протока текучего вещества между стенками цилиндра и поршня. Положение поплавка 6 регистрируется датчиком расходомера 8, с которым поплавок 6 имеет информационную связь, выход датчика расходомера 8 подключен -к входу первого преобразовательного блока 11. В первом преобразовательном блоке 11 сигнал с выхода датчика расходомера 8 преобразуется в необходимых пределах, требуемых для блока управления 12. Форма и способ преобразования сигнала зависит от конкретного исполнения блока управления 12, это может бьггь преобразование аналогового сигнала в цифровую форму для микроконтроллера, усиление сигнала до определенного уровня, преобразование изменения индуктивности в частоту и т.п. С выхода преобразователя сигнал поступает на вход блока управления 12. Блок управления 12 производит
необходимые вьиисления и выдает рассчитанный расход на блок индикации 13 и нередатчик 14 для дистанционной передачи данных.
Датчик расходомера 8, вьшолненный с возможностью регистрации положения поплавка 6, может быть вьшолнен контактным или бесконтактным. Контактный датчик может представлять собой, например, потенциометр, в котором поплавок 6 передвигает движок (информационная связь между ними в данном случае механическая), выводы потенциометра подключаются к преобразовательному блоку 11. Бесконтактный датчик расходомера 8 имеет множество вариантов вьшолнения, в частности он может быть вьшолнен оптическим, акустическим, емкостным, индуктивным, причем индуктивный датчик может быть выполнен в виде простой катушки индуктивности, дифференциальных катушек индуктивности, трансформаторным, дифференциальным трансформаторным и т.д. («Электрические измерения неэлектрических величин Л. «Энергия 1975, стр.300316).
Датчик перепада давления 9 - обычный дифференциальный датчик давления, который может иметь множество вариантов исполнения, также может применяться серийно вьшускаемые датчики, например MPX2010DP фирмы Motorola.
Блок управления 12 в простейшем варианте исполнения для измерительного, устройства, изображенного на фиг.З, может быть вьшолнен на основе двоичнодесятичного счетчика, коэффициент пересчета которого определяется соотношением изменения разностной частоты и расхода контролируемого вещества, выходы счетчика подключены к блоку индикации 13, а один из выходов переноса счетчика (например, который соответствует расходу единиц литров) может быть подключен к передатчику 14 для дистанционной передачи информации. Примером такого счетчика могут служить микросхемы К561ИЕ4, К561ИЕ11, К533ИЕ6. В более оптимальном варианте блок управления 12 моясно выполнить на микроконтроллере, который может более гибко
выполнять функции управления и пересчета показаний датчика расходомера 8 в объемный или массовый расход текучего вещества. Микроконтроллер способен более гибко аппроксимировать характеристику датчика расходомера 8, например, по заранее заданным значениям разностной частоты в характерных точках перегиба нелинейной характеристики датчика расходомера 8 изменять коэффициент пересчета разностной частоты в расход контролируемого вещества. Микроконтроллер также способен с помощью встроенного датчика температуры (PIC14000) отслеживать температурные изменения расхода контролируемого вещества, производить вьшисления расхода исходя из двух параметров - положения поплавка 6 и величиной перепада давления, измеряемого соответствующим датчиком по соответствующим формулам. Примерами такого микроконтроллера являются микроконтроллеры PIC16F84, PIC14000, PIC16CE622 фирмы Microchip, 83C51GB или 87С196КВ фирмы Intel, однокристальные микро-ЭВМ других фирм (см. справочник «Однокристальные микро-ЭВМ М.:МИКАП, 1994 г., стр.391).
Блок индикации 13 может иметь различные варианты исполнения, от электромеханического счетчика до индикаторной платы жидких кристаллах (например НТ1616М16 фирмы Holtek).
Функции передатчика 14 в простейщем варианте может исполнять микроконтроллер блока управления 12 (например, микроконтроллер PIC14000 фирмы Microchip имеет встроенный интерфейс I2C и .), в других вариантах могут применяться специальные интерфейсные микросхемы (например КР580ВВ51А и т.п.).
Расходомер может содержать дополнительно датчик перепада давления 9, выполненный с возможностью регистрировать перепад давления между входными каналами 3 и выходными каналами 4 камеры 2. На основной вход блока управления 12 поступают данные о площади окна с датчика расходомера 8 через первый преобразовательный блок 11, данные о перепаде давления поступают с датчика перепада
9g/// ;
давления 9 на дополнительный вход блока управления 12 измерительного устройства 10 через второй преобразовательный блок 15. Микроконтроллер блока управления 12 вычисляет расход текучего вещества, исходя из перепада давления и площади сечения окна 5 камеры 2 («Электрические измерения неэлектрических величин Л. «Энергия 1975, стр.191).по общеизвестным формулам:
1)л1р2) Qm  .р.ДР
Q и Qm - соответственно объемный и массовый расход текучего вещества; а - коэффициент расхода;
S - сечение окна, которое определяется (для прямоугольного окна) как произведение ширины окна на высоту (А) подъема поплавка 6; р - плотность контролируемого вещества; АР - перепад давления
Применение датчика перепада давления 9 позволяет компенсировать в расчетах погрешности механики (например, из-за трения и заклинивания поплавка 6 из-за попадания примесей) и аэродинамического (гидродинамического) сопротивления текучей среды, определять точное положение нуля расхода (нулевое положение поплавка 6, ).
Предлагаемый расходомер может использоваться для счетчиков газа, датчиков расхода топлива в двигателях внутреннего сгорания и т.п., не требует уникальных технологий.
./
10
реализации и что различные изменения и модификации могут быть выполнены специалистом без отклонения от основной задачи, которая определяется в прилагаемых пунктах формулы.
Предлагаемое изобретение позволяет увеличить точность расходомеров текучего вещества в широком диапазоне значений расхода до уровня точности метода измерения положения поплавка, погрешность которых может не превышать десятых долей процентов.