СПОСОБ ПРИВЕДЕНИЯ РОТОРА ТАХОМЕТРИЧЕСКОГО РАСХОДОМЕРА ВО ВРАЩЕНИЕ ТЕКУЧЕЙ СРЕДОЙ С ОСУЩЕСТВЛЕНИЕМ ЕГО ГИДРО(ГАЗО)ДИНАМИЧЕСКОГО ПОДВЕСА И ТАХОМЕТРИЧЕСКИЙ РАСХОДОМЕР НА ЕГО ОСНОВЕ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF DRIVING ROTOR OF TACHOMETER FLOW METER IN ROTATION BY FLUID MEDIUM WITH ITS HYDRO (GAS) DYNAMIC SUSPENSION AND TACHOMETRIC FLOW METER BASED ON IT (VERSIONS)

Изобретение относится к измерительной технике в области расходометрии текучих сред и может быть использовано в конструкции расходомеров для измерения текучей среды.
Известен способ приведения шарового ротора тахометрического расходомера во вращение текучей средой (жидкостью) путем подачи ее в рабочую камеру с расположенным в ней шаровым ротором, через тангенциальные отверстия (П.П. Кремлевский. Расходомеры и счетчики количества: Справочник - 4-е изд. Л.; Машиностроение. 1989 - 701. с., стр. 301-302).
Известен также способ приведения конусного ротора тахометрического расходомера ЛИС-1 (левитационного импульсного счетчика) во вращение текучей средой (газом) путем подачи газа через тангенциальные отверстия в нужных местах конуса с осуществлением его газодинамического подвеса (ж. Техника Молодежи №8, 2000, с. 6, «Комиссионка»).
Наиболее близким техническим решением приведения ротора тахометрического расходомера во вращение текучей средой с осуществлением его гидро(газо)динамического подвеса является способ гидродинамического подвеса и приведения во вращение шарового ротора со сквозным диаметральным отверстием, реализованном в устройстве по а.с. СССР №489951, МПК G01F 1/10, гидродинамическое подвешивание шарового ротора в котором осуществляется за счет гидродинамических сил, обусловленных организацией затопленной струи и поперечных кольцевых вихрей, возникающих в потоке жидкости в данном месте рабочей камеры корпуса и удерживающих шаровой ротор в левитирующем (парящем) состоянии независимо от скорости потока текучей среды, а также в устройствах по а.с. СССР №907394, М. Кл. G01F 1/10 и а.с. СССР №1040336, М. кл. G01F 1/10.
Преимуществом способа приведения ротора тахометрического расходомера во вращение с осуществлением его гидро(газо)динамического подвеса текучей средой является отсутствие трущихся (изнашиваемых) опор, обладающих, к тому же, тормозным моментом, и решение проблемы разгрузки осевого давления на опоры, что допускает работу тахометрического расходомера с текучими средами, содержащими механические примеси, в экстремальных условиях эксплуатации и позволяет обеспечивать высокую надежность и точность тахометрического расходомера в течение длительного времени эксплуатации.
Недостатками устройств, выполненных на основе указанного способа гидродинамического подвеса, являются:
- повышенное гидравлическое сопротивление;
- ограниченный диапазон рабочих скоростей течения текучей среды;
- неравномерность вращения шарового ротора в пределах оборота и прецессии его оси вращения;
- повышенная склонность шарового ротора к резонансу в рабочей камере (ж. Приборы и системы управления. №12, 1985, стр. 17-18 «Тахометрический расходомер с гидродинамическим подвесом шарового ротора» инж. И.Н. Иванов, к.т.н. С.А. Золотаревский).
Задачей изобретения является создание способа приведения ротора тахометрического расходомера во вращение текучей средой с осуществлением его гидро(газо)динамического подвеса, исключающего недостатки аналогов и прототипа, а именно обеспечивающего:
- снижение гидравлического сопротивления;
- расширение диапазона рабочих скоростей течения текучей среды;
- уменьшение неравномерности вращения шарового ротора в пределах оборота и амплитуды прецессии его оси вращения;
- исключение резонансной раскачки шарового ротора в рабочей камере.
Поставленная задача изобретения решается тем, что текучую среду, осуществляющую приведение ротора тахометрического расходомера во вращение и его гидро(газо)динамический подвес ротора в рабочей камере тахометрического расходомера, до поступления в рабочую камеру, закручивают завихрителем потока текучей среды и преобразуют в рабочей камере в конусообразный вихрь, внутри которого размещают ротор тахометрического расходомера, а прецессию оси вращения шарового ротора ограничивают до величины, исключающей его резонансную раскачку в рабочей камере.
Кроме того, скорость потока выравнивают в зазоре между ротором и диффузором рабочей камеры, затем делят поток на равные части и закручивают эти части потока по траектории, обеспечивающей продолжение линейной зависимости частоты вращения ротора от скорости потока текучей среды.
Реализация предложенного способа приведения ротора тахометрического расходомера во вращение текучей средой с осуществлением его гидро(газо)динамического подвеса осуществлена в двух вариантах конструкций расходомера.
В тахометрическом расходомере текучей среды (вариант I), содержащем корпус, включающий рабочую камеру с конусообразными диффузором и конфузором, входной и выходной каналы, размещенный в рабочей камере гидродинамически подвешенный намагниченный шаровой ротор со сквозным диаметральным отверстием и преобразователь числа оборотов ротора в электрический сигнал, корпус изготовлен из диамагнитного материала, в корпусе выполнена предкамера, соединенная с рабочей камерой входным каналом, в предкамере установлен завихритель потока, а ротор содержит постоянный магнит, намагниченный перпендикулярно оси его диаметрального отверстия, причем завихритель потока и ротор установлены на одной оси, выполненной в виде консольно установленного цилиндрического стержня, изготовленного из диамагнитного материала, на котором закреплены два кольца: одно из них изготовлено из диамагнитного материала и расположено на свободном конце, а другое изготовлено из магнитомягкого материала и расположено в зоне сопряжения входного канала корпуса с конусной поверхностью диффузора, при этом диаметр сквозного отверстия ротора выполнен больше диаметра цилиндрического стержня, а на наружной поверхности корпуса закреплены катушка индуктивности, намотанная на стержневом магнитопроводе, и два полюсных наконечника из магнитомягкого материала, симметрично расположенные в зоне рабочих смещений ротора, каждый из которых подсоединен к одному из концов стержневого магнитопровода катушки индуктивности.
Кроме того, в указанном тахометрическом расходомере завихритель потока выполнен в виде крыльчатки, внутренний диаметр лопастей которой больше диаметра отверстия входного канала корпуса.
Кроме того, в указанном тахометрическом расходомере в качестве стержневого магнитопровода катушки индуктивности используется элемент (проволока) Виганда, концы которого соединены с одним из полюсных наконечников.
В тахометрическом расходомере текучей среды (вариант II), содержащем корпус, включающий рабочую камеру с конусообразными диффузором и конфузором, входной и выходной каналы, размещенный в рабочей камере гидродинамически подвешенный намагниченный шаровой ротор со сквозным диаметральным отверстием и преобразователь числа оборотов ротора в электрический сигнал, корпус изготовлен из диэлектрического материала, в корпусе выполнена предкамера, соединенная с рабочей камерой входным каналом, в предкамере установлен завихритель потока, а ротор выполнен из диэлектрического материала в виде тела вращения с тонкостенной оболочкой, на поверхности которой, с противоположных сторон от оси отверстия ротора, закреплено два гальванически соединенных электрода, в вершине усеченного конуса ротора закреплен магнит в виде кольца, намагниченного параллельно оси кольца, а на корпусе в зоне рабочих смещений ротора попарно симметрично закреплены четыре электрода, которые вместе с двумя электродами ротора образуют тахометрический дифференциальный емкостный преобразователь.
Совокупность указанных признаков предложенных способа и устройств тахометрического расходомера позволяет исключить недостатки аналогов и прототипа.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где:
- на фиг. 1 показана конструкция устройства тахометрического расходомера, поясняющего существо способа приведения ротора тахометрического расходомера во вращение текучей средой с осуществлением его гидро(газо)динамичекого подвеса;
- фиг. 2 - вариант конструктивного исполнения ротора тахометрического расходомера, изготовленного в виде тела вращения со сквозным осевым отверстием, у которого часть поверхности, обращенная к конусному диффузору рабочей камеры, выполнена в виде усеченного конуса, обеспечивающего повышение чувствительности к изменению скорости потока;
- на фиг. 3 показан вид на диффузор за сечением АА на фиг. 1;
- на фиг. 4 показан вариант I конструкции тахометрического расходомера с осуществлением его гидро(газо)динамического подвеса, в котором используется индукционный тахометрический преобразователь;
- на фиг. 5 - вид Б на фиг. 4;
- на фиг. 6 - сечение ВВ на фиг. 1 для варианта II с электродами дифференциального емкостного тахометрического преобразователя;
- на фиг. 7 - конструкция тонкостенного ротора варианта II;
- на фиг. 8 - вид Г на фиг. 7;
на фиг. 9 - схема электрическая принципиальная дифференциального емкостного тахометрического преобразователя вращения ротора, изготовленного по варианту II.
Устройство для осуществления способа приведения ротора тахометрического расходомера во вращение текучей средой с осуществлением его гидро(газо)динамического подвеса (вариант 1) включает корпус 1 с предкамерой 2 и рабочей камерой 3, соединенными входным каналом 4 и выходным каналом 5. В предкамере 2 на цилиндрической оси (стержне) 6, входящей в рабочую камеру 3, установлен завихритель 7, выполненный в виде крыльчатки, при этом внутренний диаметр лопастей завихрителя потока больше диаметра отверстия входного канала 4. В рабочей камере 3 выполнены конусные диффузор 8 и конфузор 9, а на консоли цилиндрического стержня 6 свободно установлен ротор 10 (диаметр отверстия 11 превышает диаметр стержня 6), имеющий шарообразную форму. Корпус 1 выполнен разъемным из диамагнитного материала, стержень 6 и ротор 10 также выполнены из диамагнитного материала. Поверхность ротора 10, обращенная к диффузору 8, выполнена в виде усеченного конуса 12 высотой h и углом конусности α. На конусной поверхности диффузора 8, на длине участка l, равного расстоянию от входного канала 4 до проекции 13 ротора 10 на конусную поверхность, равномерно по поверхности выполнены криволинейные канавки 14, направление которых совпадает с направлением текучей среды по поверхности диффузора. Указанные конструктивные особенности делят поток на равные части и закручивают разделенные части потока по траектории, обеспечивающей продолжение линейной зависимости частоты вращения ротора от скорости потока текучей среды, что позволяют выравнивать скорость потока текучей среды в зазоре между ротором и диффузором рабочей камеры и дополнительно расширяет диапазон измеряемых скоростей потока.
Вариант I устройства тахометрического расходомера с использованием индукционного тахометрического преобразователя (фиг. 4) включает ротор 10, который содержит постоянный магнит 15, намагниченный перпендикулярно оси отверстия 11, кольца 16 (из магнитомягкого материала) и 17 (из диамагнитного материала), закрепленные на цилиндрическом стержне 6, катушку индуктивности 18, намотанную на цилиндрический сердечник 19 из магнитомягкого материала (магнитопровод) и закрепленную на диамагнитном корпусе 1, и два симметрично расположенных в зоне рабочих смещений ротора полюсных наконечника 20 и 21 из магнитомягкого материала, каждый из которых соединен с одним из концов цилиндрического сердечника 19 и расположен на наружной поверхности корпуса 1. В качестве магнитопровода катушки индуктивности 18 может быть использован элемент (проволока) Виганда, концы которого соединены с одним из полюсных наконечников 20 и 21. Применение элемента Виганда позволяет получать выходные сигналы с намотанной на него катушки индуктивности 18 в виде импульсов постоянной амплитуды и длительности независимо от частоты его перемагничивания. Введение в конструкцию тахометрического расходомера кольца 16 обеспечивает притяжение ротора до прикосновения его с поверхностью диффузора 8, что обеспечивает сохранение метрологических характеристик расходомера при любой пространственной ориентации направления потока текучей среды относительно вектора силы гравитации Земли. Кольцо 17 ограничивает зону рабочих смещений ротора.
Вариант II устройства тахометрического расходомера включает ротор 10 (фиг. 7), выполненный из диэлектрического материала в виде тела вращения с тонкостенной оболочкой, часть поверхности которого, обращенная к конусному диффузору 8 рабочей камеры 3, выполнена в виде усеченного конуса. В вершине ротора 10 закреплен магнит 22 в виде кольца, намагниченного вдоль оси отверстия 11. На поверхности ротора 10, с противоположных сторон от оси отверстия 11, закреплены два гальванически соединенных электрода 23 и 24, при этом ротор 10 выполняет функцию подвижной части емкостного тахометрического преобразователя расходомера. В качестве неподвижной части емкостного тахометрического преобразователя вращения ротора 10 на корпусе 1 попарно симметрично закреплены четыре электрода-пластины 25, 26, 27 и 28, расположенные в зоне рабочих смещений ротора 10 (фиг. 6).
Работа тахометрического расходомера.
При протекании текучей среды (фиг. 1) завихритель 7 потока закручивает поток вокруг цилиндрической консоли оси 6, который вытекает из предкамеры 2 через входной канал 4 и, проходя через рабочую камера 3, выходит из рабочей камеры через выходной канал 5. Под действием центробежных сил закрученный поток растекается по поверхности диффузора 8, образуя конусообразный вихрь, вместе с которым ротор 10 вращается вокруг цилиндрической консоли стержня 6. При этом создается разность скоростей продольного течения текучей среды перед и за ротором 10 в рабочей камере 3 и согласно закону Бернулли за ротором создается повышенное давление и текучая среда через зазор между цилиндрической консолью оси (стержня) 6 и поверхностью отверстия 11 ротора 10 подсасывается в конусообразный вихрь, осуществляя, тем самым, полный гидро(газо)динамический подвес ротора 10, при этом во всем диапазоне рабочих скоростей течения среды сохраняется равенство между подъемной силой конусообразного вихря и встречно направленной силой давления. Скорость вращения ротора, пропорциональная скорости потока, регистрируется блоком 29.
Предложенный способ гидро(газо)динамического подвеса чувствительного элемента тахометрического расходомера текучей среды и описанные варианты конструктивного исполнения расходомера позволяют исключить недостатки аналогов, а именно снизить гидравлическое сопротивление, расширить диапазон рабочих скоростей текучей среды, а также исключить неравномерность вращения шарового ротора в пределах оборота, ограничить амплитуду прецессии его оси вращения и исключить возможность резонансной раскачки шарового ротора в рабочей камере.
Предложение апробировано автором на опытных образцах тахометрического расходомера с положительными результатами при различных скоростях потока текучей среды.