ШАРИКОВЫЙ ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ПЕРВИЧНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ РАСХОДА ПРОЗРАЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ
BALL ELECTRONIC-OPTICAL PRIMARY CONVERTER OF CLEAR LIQUID FLOW

Изобретение относится к измерительной технике и приборостроению и может быть использовано в расходометрии любых прозрачных, электропроводных и неэлектропроводных, агрессивных, токсичных и огне- и взрывоопасных жидкостей, в частности воды и водных растворов кислот, щелочей и солей, светлых нефтепродуктов и продуктов нефтехимической и химической промышленности, сжиженного газа и ароматических углеводородов.
Шариковые первичные преобразователи расхода жидкости следует считать особо перспективными для измерения количества и расхода воды в автоматических системах учета водопотребления в жилищно-коммунальном хозяйстве и для использования в составе счетчиков количества теплоты, так как в этих областях применения первичные преобразователи расхода холодной и горячей воды должны обладать большим ресурсом эксплуатации, простой конструкцией, низкой стоимостью обслуживания и ремонта, приемлемой ценой.
Известны многочисленные варианты конструкций шариковых первичных преобразователей расхода жидкости в электрический сигнал, выделяющиеся среди других типов тахометрических расходомеров жидкости значительными преимуществами, которые обуславливают их предпочтительность при измерении расхода воды и агрессивных жидкостей [Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник. 4-е изд. Л.: Машиностроение, 1989 - 701 с. ].
Известен шариковый преобразователь расхода [RU №2253843 C1, кл. G01F 1/06, опубл. 10.06.2005 г. ], состоящий из корпуса из немагнитного материала, ограничительной втулки, раскрытой кольцевой полости с шаром и узла съема сигнала. Раскрытая кольцевая полость образована внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью ограничивающей втулки. Корпус преобразователя со стороны раскрытия полости с размещенным в ней шаром имеет кольцевое углубление, стабилизирующее вращение вихревого потока.
Известен шариковый расходомер [SU №1591618 A1, кл. G01F 1/06, G01F 1/10, опубл. 27.05.1988 г. ], состоящий из корпуса с входными и выходными патрубками. Внутри корпуса коаксиально расположены стержень-вытеснитель и ограничительный кольцевой элемент, который образует в корпусе непроточную полость с размещенным в ней шаром. Последняя сообщена с проточной частью кольцевой щелью. В зоне размещения шара на корпусе расположен узел съема сигнала. Для приведения во вращение шара служит струенаправляющее устройство, выполненное в виде тангенциальных каналов, расположенных в кольцевом выступе, размещенном на торце ограничительного кольцевого элемента со стороны проточной части корпуса.
Известен реверсивный датчик скоростного расходомера со свободноплавающим телом [SU №169814, кл. G01F, опубл. 17.03.1965 г. ], состоящий из корпуса, выполненного в виде цилиндрического кольца, к внешней стенке которого по касательной к рабочей полости прикреплены два патрубка, смещенные относительно друг друга по высоте и направленные в противоположные стороны.
Известен также шариковый расходомер [SU №1117448 A, кл. G01F 1/06, опубл. 07.10.1984], содержащий измерительный участок трубопровода с размещенным в нем первичным преобразователем, состоящим из цилиндрического корпуса с кольцевым каналом, струенаправляющего аппарата, струевыпрямителя и шарика, сужающим устройством, установленным соосно перед первичным преобразователем и каналом для перепуска части потока, а также узлом съема электрического сигнала. С целью расширения диапазона измерений расхода корпус первичного преобразователя выполнен диаметром, меньшим диаметра измерительного трубопровода, канал для перепуска части потока образован между корпусом первичного преобразователя и измерительным трубопроводом, первичный преобразователь установлен с возможностью осевого перемещения относительно сужающего устройства, а диаметр отверстия сужающего устройства выполнен не меньше максимального диаметра корпуса первичного преобразователя.
Во всех известных конструкциях вышеперечисленных шариковых преобразователей расхода жидкости в импульсный электрический выходной сигнал имеются недостатки, обусловленные использованием ферромагнитного шарика и магнитоиндукционного датчика (МИД):
1. При прохождении ферромагнитного шарика рядом с магнитопроводом магнитоиндукционного датчика (МИД) происходит его примагничивание (притягивание) и при относительно небольшом расходе жидкости - его прилипание, что обуславливает нелинейность статической характеристики и значительный порог чувствительности в области низких расходов.
2. При горизонтальном положении преобразователя, поскольку ферромагнитный шарик относительно веса вытесненной жидкости тяжелый, то есть обладает отрицательной плавучестью, наблюдается непостоянство скорости вращения шарика в пределах одного оборота, которое нарастает при уменьшении скорости вращения, что в итоге еще больше искажает статическую характеристику первичного преобразователя.
Неплавучесть ферромагнитного шарика делает невозможным горизонтальное положение преобразователя, когда вектор силы гравитации Земли направлен перпендикулярно линейному потоку жидкости, так как при небольших расходах жидкости ферромагнтиный шарик может остановиться в нижней точке кольцевого канала, то есть прекратить свое вращение.
3. Выходной сигнал МИД сильно зависит от скорости вращения шарика (скорости пробегания шарика под магнитопроводом МИД): при низких скоростях вращения шарика и, значит, небольших расходах жидкости напряжение, индуцированное в обмотке МИД, очень мало. Поэтому в клеммной коробке первичного преобразователя должен располагаться электронный усилитель. Обязательное размещение в клеммной коробке электронного усилителя приводит к повышению стоимости преобразователя, снижению надежности и помехоустойчивости при эксплуатации.
Перечисленные три недостатка известных шариковых первичных преобразователей расхода жидкости с ферромагнитным шариком и МИД обуславливают невозможность их использования при небольших расходах жидкости и (или) горизонтальном положении.
Наиболее близким по конструкции, чувствительности преобразователя при низких расходах жидкости и точности преобразования в широком рабочем диапазоне расходов является шариковый первичный преобразователь расхода электропроводной жидкости [RU №2471154 C1, МПК G01F 1/05, опубл. 27.12.2012, бюл. №36], состоящий из цилиндрического корпуса с кольцевым каналом, в котором свободно может вращаться шарик, неподвижного струенаправляющего аппарата и узла съема электрического сигнала, причем, шарик выполнен из диэлектрического материала с нулевой плавучестью в жидкости, а узел съема электрического сигнала состоит из двух электродов, помещенных в кольцевой канал через проходные изоляторы, перпендикулярно траектории качения шарика и заподлицо с поверхностью кольцевого канала.
В данном преобразователе расхода вращающийся в кольцевом канале диэлектрический шарик модулирует электрическое сопротивление жидкости между двумя электродами с частотой собственного вращения, пропорциональной расходу жидкости. Так как шарик имеет нулевую плавучесть в жидкости и не подвергается никакому силовому воздействию, кроме самой жидкости, заставляющей его свободно вращаться в кольцевом канале, преобразователь расхода имеет высокую чувствительность и высокую линейность функции преобразования F=f(G) в зоне низких расходов жидкости, где F - частота следования импульсов, G - расход жидкости.
Шариковый первичный преобразователь расхода электропроводной жидкости, являющийся прототипом, имеет недостатки:
1. Ограниченное применение, так как пригоден для преобразования расхода только электропроводных жидкостей. Он не пригоден для расходометрии огне- и взрывоопасных жидкостей, поскольку с ними электрический контакт электродов категорически не допускается.
2. Непостоянство электропроводности жидкости при изменении ее температуры и (или) концентрации соли, щелочи или кислоты в воде вызывает нестабильность режима работы биполярного транзистора и, следовательно, формы выходных импульсов преобразователя. Для устранения влияния этого негативного фактора на стабильность статической характеристики F=f(G) электронная часть известного преобразователя расхода электропроводной жидкости должна быть изменена и, как следствие, иметь более сложную схему.
3. Между электродами в известном преобразователе расхода электропроводной жидкости имеется разность потенциалов, поэтому в зонах контактов электродов с жидкостью возможны электролиз и другие электрохимические процессы, приводящие соответственно к снижению линейности статической характеристики F=f(G) и химическому разрушению активных поверхностей электродов, в связи с чем электроды известного преобразователя электропроводной жидкости в зоне контакта с жидкостью должны выполняться из химически инертного к данной жидкости металла или сплава металлов, что усложняет конструкцию прибора и увеличивает его себестоимость.
4. При малых расходах жидкости, особенно в самом начале статической характеристики F=f(G), крутизна переднего и заднего фронтов выходного импульсного сигнала очень низкая, импульсы выходного напряжения как бы размываются во времени. Поэтому во вторичном электронном преобразователе необходимо использовать компаратор для нормирования длительностей переднего и заднего фронтов импульсов, чтобы во вторичном электронном преобразователе не происходили пропуски импульсов при вычислении расхода и количества жидкости.
5. Электропроводная жидкость является носителем паразитных электрических зарядов, генерируемых в ней переменными магнитными полями частотой 50 Гц (сетей электроснабжения) и возбуждающих между электродами переменные напряжения помехи такой же частоты, которое будет модулировать полезный сигнал и вызывать сбои в работе преобразователя расхода жидкости. Для обеспечения помехоустойчивости прототипа до и после кольцевого канала необходимо иметь два электрода, соединенных между собой и с общей шиной электропитания схемы нормирования выходного сигнала, что усложняет конструкцию прибора.
Задача изобретения является, во-первых, расширение функциональных возможностей за счет расширения видов жидкостей - электропроводных и неэлектропроводных, огне- и взрывоопасных, особо агрессивных и токсичных, но прозрачных, расходометрия которых может быть реализована шариковым первичным преобразователем, во-вторых, получение возможности исключения из состава первичного преобразователя электрической части вместе с клеммной коробкой и их размещения во вторичном электронном преобразователе на требуемом расстоянии.
Технический результат - обеспечение выходного сигнала с достаточной крутизной фронтов и стабильной амплитудой, не зависящими от вида жидкости, ее температуры и давления, не подверженными искажению электрическими, магнитными и электромагнитными полями.
Поставленная задача решается и технический результат достигается по первому варианту тем, что в шариковом электронно-оптическом первичном преобразователе расхода прозрачных жидкостей, состоящем из корпуса с кольцевым каналом, в котором свободно может вращаться шарик, имеющий нулевую плавучесть в жидкости, неподвижного струенаправляющего аппарата и узла съема электрического сигнала, согласно изобретению, узел съема электрического сигнала состоит из светоизлучателя и фотоприемника, связанных между собой прямой оптической и обратной электронной положительной связями и размещенных непосредственно в зоне кольцевого канала так, чтобы вращающийся шарик мог пересекать оптическую ось "светоизлучатель-фотоприемник".
Поставленная задача решается и технический результат достигается по второму варианту тем, что в шариковом электронно-оптическом первичном преобразователе расхода прозрачных жидкостей, состоящем из корпуса с кольцевым каналом, в котором свободно может вращаться шарик, имеющий нулевую плавучесть в жидкости, неподвижного струенаправляющего аппарата и узла съема электрического сигнала, согласно изобретению, узел съема электрического сигнала состоит из светоизлучателя и фотоприемника, связанных между собой прямой оптической и обратной электронной положительной связями и размещенных во вторичном электронном преобразователе и оптически связанные с кольцевым каналом первичного преобразователя посредством оптоволоконных волноводов.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлен первый вариант конструкции шарикового электронно-оптического первичного преобразователя расхода прозрачной жидкости в виде продольного сечения по отношению к потоку жидкости.
На фиг. 2 показана известная оптоэлектронная схема, служащая для преобразования частоты вращения непрозрачного тела, пересекающего оптическую ось, в частоту импульсного выходного напряжения.
На фиг. 3 представлена заявляемая схема оптоэлектронной пары «светоиз-лучатель-фотоприемник», в которой действует положительная обратная связь.
На фиг. 4 представлены временные диаграммы выходного напряжения шарикового электронно-оптического преобразователя расхода жидкости при использовании известного и заявленного способов регистрации частоты вращения шарика.
На фиг. 5 показан второй вариант конструкции шарикового электронно-оптического первичного преобразователя, в котором электронная часть полностью выведена за пределы преобразователя благодаря использованию оптоволоконной связи кольцевого канала с светоизлучателем и фотоприемником.
Шариковый электронно-оптический первичный преобразователь расхода прозрачных жидкостей по первому варианту включает в себя (фиг. 1): оптически прозрачный (стеклянный или пластмассовый) корпус, состоящий из двух одинаковых цилиндрических частей 1 и 2, каждая из которых имеет расширяющиеся полости, кольцевые выточки для уплотнительных колец 3, 4 и 5, углубления для фотоприемника 6 и светоизлучателя 7. Два одинаковых фланца 8 и 9, служащих для присоединения преобразователя к входному и выходному трубопроводам (сваркой или посредством резьбовых соединений), сжимающих две одинаковые части корпуса преобразователя 1 и 2 с помощью болтов 10, и имеющих по одному отверстию (с резьбой или без нее) для установки фотоприемника 6 и светоизлучателя 7. Струенаправляющий аппарат 11, имеющий несколько лопастей для преобразования линейного потока жидкости во вращающийся поток, формирующий кольцевой канал вместе с внутренней поверхностью корпуса и неподвижно установленный посредством резьбового соединения с фланцем 8 внутри корпуса преобразователя встречно потоку жидкости. Шар 12, обладающий нулевой плавучестью в жидкости и меньшей прозрачностью по сравнению с ней (или непрозрачный), который может свободно вращаться в кольцевом канале, образованном внутренними поверхностями двух частей корпуса 1 и 2 и поверхностью струенаправляющего аппарата 11. Фотоприемник 6, в качестве которого используется фотодиод в режиме фотопреобразователя, соединенный анодом (А) и катодом (К) соответственно с базой биполярного транзистора 13 и шиной электропитания схемы +Uп. Светоизлучатель 7 на светодиоде (или лазерном диоде), включенном в прямом направлении последовательно в коллекторную цепь транзистора 13. Нагрузочный и токозадающий резисторы 14 и 15, имеющие сопротивления R1 и R2 и включенные соответственно в цепь коллектора транзистора 13 и последовательно со свето-излучателем 7 между его катодом и шиной электропитания схемы -Uп.
Внешний диаметр кольцевого канала D должен быть больше диаметра условного прохода d (трубопровода жидкости и проходного отверстия фланцев 8 и 9), чтобы струенаправляющий аппарат 11 и шарик 12 оказывали минимальное гидродинамическое сопротивление потоку жидкости.
Из фиг. 1 видно, что фотоприемник 6 и светоизлучатель 7 расположены на одной оптической оси, перпендикулярной плоскости качения шарика 12, чтобы при вращении шарик перекрывал и рассеивал световой поток.
В представленной на фиг. 1 конструкции шарикового преобразователя, когда шарик находится далеко от оптической оси, свет, излучаемый светодиодом 7, на пути до фотоприемника-фотодиода 6 три раза подвергается поглощению (материалом обеих частей корпуса 1 и 2 и жидкостью), отражению и преломлению на границах сред (воздух-корпус - два раза, жидкость-корпус - два раза) и, наконец, нельзя исключить дифракцию. Следовательно, до фотоприемника 6 достигает рассеянный свет, и шарик начинает влиять на освещенность фотоприемника, не достигнув свой поверхностью оптической оси «светоизлучатель-фотоприемник». По мере приближения центра шарика к оптической оси освещенность фотоприемника 6 будет уменьшаться до минимально возможной величины, зависящей от конструктивных особенностей преобразователя, соотношения геометрических размеров отдельных частей корпуса, струенаправляющего аппарата 11 и шарика, типа используемых материалов расходомера и вида жидкости, других факторов.
Поэтому освещенность фотоприемника 6 и, следовательно, фототок фотодиода будут уменьшаться и, затем, увеличиваться плавно, причем, крутизна переднего и заднего фронтов будут стремительно уменьшаться при уменьшении скорости вращения шарика (расхода жидкости).
В известной схеме оптоэлектронной пары «светоизлучатель-фотоприемник» (фиг. 2), светоизлучатель-светодиод VD1 и фотоприемник-фотодиод VD2 с усилителем тока на биполярном транзисторе VT1 функционируют независимо друг от друга. Светодиод VD1 излучает световой поток, фотодиод VD2, работающий в фотопреобразовательном режиме, осуществляет преобразование достигшего его рассеянного светового потока Ρ в фототок: Iф=kP, где k - коэффициент преобразования фотодиода, Ρ - световой поток.
1
Амплитуда выходного сигнала известной оптоэлектронной схемы - это падение напряжения между коллектором и эмиттером транзистора VT1: Uвых=Uп-IфβR, где β - коэффициент усиления по току биполярного транзистора VT1 в схема с общим эмиттером, Uп - напряжение питания. Так как фототок Iф возрастает и, затем, падает плавно при прохождении шарика через зону оптической оси «светоизлучатель-фотоприемник», то крутизна переднего и заднего фронтов выходного напряжения Uвых оптопары очень низкая, причем, она тем меньше, чем меньше частота вращения шарика (меньше расход жидкости). Такой сигнал должен нормироваться высокостабильным компаратором с использованием источника опорного напряжения с целью получения прямоугольных импульсов, пригодных по крутизне фронтов и амплитуде для стабильной работы электронно-счетного вторичного преобразователя.
Представленная на фиг. З заявленная электрическая схема благодаря действующей в ней положительной обратной связи позволяет получить нормированные прямоугольные импульсы выходного напряжения по амплитуде и крутизне фронтов без вспомогательного компаратора. Она может находиться только в двух устойчивых состояниях, определяемых положением шарика 12 относительно оптической оси между фотодиодом 6 и светодиодом 7.
Состояние 1. Шарик находится на оптической оси «светоизлучатель-фотоприемник», то есть перекрывает световой поток, тогда фототок фотодиода, являющийся током базы 16 биполярного транзистора 13, очень мал. Так как транзистор включен по схеме с общим эмиттером, то его коллекторный ток Ik=βIб=βIφ также небольшой, где β - коэффициент усиления по току биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером.
VD1
2
VD1
2
2
Через светодиод 7 (VD1) протекает прямой ток Inp=(Un-Unp.)/R+Ik, где Uпр. - прямое падение напряжения на светодиоде 7 выбранного типа, R - сопротивление резистора 15 на фиг. 1. и фиг. 3. Так как резистор R должен иметь весьма большое сопротивление (что подтверждается экспериментально), и ток коллектора транзистора 13 (VT1) Ik=βI6=βIφ очень мал (так как шарик перекрывает световой поток), суммарный прямой ток светодиода Iпр также мал и, значит, светодиод 7 излучает очень небольшой световой поток.
Итак, когда шарик перекрывает или рассеивает световой поток, и фотодиод 6 должен получать минимально возможное воздействие света, светодиод 7 снижает яркость своего свечения, так как протекающий через него прямой ток падает, то есть уменьшение фототока фотодиода 6 обусловлено не только перекрытием светового потока шариком, но и падением яркости свечения светодиода 7. Яркость свечения светодиода падает тем глубже и быстрее, чем больше коэффициент усиления по току β биполярного транзистора 13. В вышеизложенном состоит суть положительной обратной связи, возникающей при приближения шарика к оптической оси между светодиод ом и фотодиодом.
Сопротивление резистора 15 выбирается таким образом, чтобы в конкретной конструкции первичного преобразователя и при известной прозрачности жидкости прямой ток светоизлучателя-светодиода 7 не уменьшался меньше некоторой заданной величины, соответствующей началу рабочего участка световой характеристики светодиода. Это необходимо для исключения триггерного эффекта в работе схемы.
VD1
кэ.нас
1
1
Состояние 2. Шарик не находится на оптической оси «светоизлучатель-фотоприемник», то есть не перекрывает световой поток. Тогда фототок, являющийся током базы транзистора 13, вводит транзистор в режим насыщения и на нем падает минимально возможное напряжение, называемое напряжением насыщения транзистора Uкэ.нас в схема с общим эмиттером. В этом состоянии схемы через резистор 14 будет протекать ток Iпр=(Uп-Uп.-U)/R, где R - сопротивление резистора 14.
VD1
2
VD1
кэ.наc
1
Теперь прямой ток, протекающий через светодиод 7, резко возрастет: Iпр=(Uп-Uпр.)/R+(Uп-Uпр.-U)/R. Увеличение прямого тока светодиода приведет к увеличению яркости свечения светодиода.
Итак, когда шарик не перекрывает световой поток и не рассеивает его, то светодиод светится ярко, и фотодиод 6 получает необходимое воздействие света. Как только шарик начнет приближаться к оптической оси «светоизлучатель-фотоприемник» и, тем самым, снижать освещенность фотодиода 6, транзистор 13 начнет закрываться, его коллекторный ток будет снижаться и будет уменьшаться протекающий через светодиод 7 ток и, следовательно, яркость его свечения. Снижение яркости свечения светодиода вызывает еще большее падение фототока фотодиода 6, а транзистор 13 обеспечит еще большее снижение освещенности фотодиода.
Таким образом, процессы перехода схемы из состояние 1 в состояние 2 и из состояние 2 в состояние 1, возникающие при вращении шарика, происходят значительно быстрее, чем в обычной оптоэлектронной схеме, не имеющей положительной обратной связи, причем, крутизна переходных процессов тем больше, чем больше коэффициент усиления по току β биполярного транзистора 13. Это особенно сильно проявляется при низких угловых скоростях вращения шарика (расходах жидкости).
VD1
Выходным сигналом первичного преобразователя является импульсное напряжение между коллектором и эмиттером транзистора 13, амплитуда которого никак не зависит от скорости вращения шарика (расхода жидкости) и равна Uп-Uпр.-Uк.нас.
На фиг. 4 показаны временные диаграммы выходного сигнала заявляемого шарикового электронно-оптического первичного преобразователя расхода жидкости и - пунктиром - выходного сигнала того же преобразователя, но в котором светоизлучатель и фотоприемники не связаны положительной обратной связью.
По второму варианту в электронно-оптическом шариковом первичном преобразователе расхода огне- и взрывоопасной жидкости полная электроискровзрывобезопасность легко обеспечивается исключением электронной части (светоизлучателя 7, фотодиода 6, транзистора 13 с резисторами 14 и 15) вместе с клеммной коробкой из состава прибора. При этом взаимосвязь, как показано на фиг. 5, между гидромеханической частью шарикового первичного преобразователя расхода со светоизлучателем и фотоприемником осуществляется посредством оптоволоконного волоновода.
На фиг. 5 первичный преобразователь не содержит никаких электрических компонентов, все они находятся на требуемом расстоянии во вторичном электронном преобразователе. На фиг. 5 позиции 6 и 7 обозначают торцевые части оптоволоконных волноводов.
В обеих заявляемых конструкциях первичного преобразователя обеспечивается высокая помехоустойчивость и полностью исключаются электрохимические процессы в жидкости, так как нет электрического контакта электронной части с жидкостью. Полная защищенность первичного преобразователя от воздействия внешних электрических, магнитных и электромагнитных полей достигается, когда гидромеханическая часть прибора связана с светоизлучателем и фотоприемником оптоволоконным волноводом, размещенными во вторичном электронном преобразователе, то есть из состава измерительного прибора исключается электрическая линия связи.
Итак, заявленный шариковый первичный преобразователь расхода прозрачной или слабо прозрачной жидкости позволяет измерять расход электропроводных и неэлектропроводных, огне- и взрывоопасных жидкостей, что значительно расширяет его функциональные возможности и области практического использования, обеспечивает независимость параметров выходных импульсов от вида и химического состава жидкости, имеет высокую помехоустойчивость и не вызывает никакие нежелательные электрохимические процессы в жидкости.