Автономный счетчик массового расхода и массы жидкости

Полезная модель относится к области измерительной техники, а именно к устройствам измерения массового расхода жидких сред, например к счетчикам массового расхода и массы жидкости и может быть использовано для измерений массового расхода и общей массы разнообразных жидких сред, а также массового расхода и общей массы жидкой фазы в двухфазных средах.
Из уровня техники известен счетчик массового расхода газожидкостной смеси, включающий корпус в виде цилиндрического сосуда с верхним входным и нижним выходным отверстиями, установленный в корпусе измерительный блок в виде двух ковшей, выполненных с возможностью качания ограниченного отбойниками на горизонтальной оси при последовательном заполнении жидкостью из выходного отверстия, входной и выходной коллекторы, герметично сообщенные с соответствующими отверстиями, устройство моделирования формы потока, установленное на выходе входного отверстия, и счетчик колебаний ковшей, при этом цилиндрический сосуд корпуса расположен вертикально и снизу оснащен конусным сужением к выходному отверстию для исключения застойных зон для стекающей жидкости (RU 197589 U1, 15.05.2020, аналог).
Недостаток известного прибора заключается в применении в качестве датчика положения микросхемы, принцип работы которой основан на микро электромеханических системах (далее - МЭМС). При использовании датчика МЭМС в присутствии вибрации создаваемой ударами камеры о демпферы, снижается точность определения положения, а также уменьшается ресурс датчика МЭМС, повышается вероятность выхода его выхода из строя, что повлечет за собой увеличение погрешности измерений по причине избыточной или недостаточной коррекции расхода.
Из уровня техники известно устройство для определения расхода в трубопроводах больших диаметров, содержащее мерный трубопровод, на поверхности трубопровода по образующей смонтированы три измерителя локальной скорости, каждый из которых состоит из преобразователя первичных сигналов и подсоединенного к нему погружного датчика локальной скорости, включающего магнитную систему с катушками, погружая часть которого содержит чувствительный элемент с электродами и погруженного в трубопровод с электропроводящей жидкостью, многоканальный блок питания постоянного тока с раздельными каналами, автономный блок питания постоянного тока, три преобразователя первичных сигналов, которые содержат предварительный усилитель, переключатель, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, вычислительный блок, который содержит микропроцессор, блок памяти и индикатор, при этом выход электродов через предварительный усилитель, переключатель, аналого-цифровой преобразователь подсоединен к входу микроконтроллера, а выходы микроконтроллеров соединены с входом микропроцессора вычислительного блока, выход микропроцессора соединен с блоком памяти и индикатором, выход, то есть положительный полюс автономного блока питания постоянного тока соединен со схемами питания микропроцессора, блока памяти, индикатора в точках д, е, ж, з, один из выходов, то есть положительный полюс многоканального блока питания соединен с цепями питания предварительного усилителя, переключателя, аналого-цифрового преобразователя, микроконтроллера в точках а, б, в, г, управляющий выход f микроконтроллера подсоединен к переключателю с целью выдачи на него управляющих команд f1,2, управляющий выход е микроконтроллера подсоединен к аналого-цифровому преобразователю, управляющий выход р микропроцессора соединен с соответствующими управляющими входами р микропроцессоров преобразователей первичных сигналов, при этом дополнительно введены формирователь тока, датчик тока в составе преобразователей первичных сигналов, клавиатура, причем выходы катушек погружных датчиков локальной скорости подсоединены через формирователи тока, датчики тока к выходам, то есть положительным полюсам многоканального блока питания катушек, выход, то есть отрицательный полюс многоканального бока питания катушек соединен с отрицательным полюсом устройства в точке Б, другой выход многоканального блока питания через датчик тока, формирователь тока, подсоединен к входу катушки, управляющие выходы микроконтроллера g1 и g2 подсоединены к ключам формирователя тока, причем выход датчика тока подсоединен к входу переключателя, а отрицательные полюсы многоканального и автономного блоков питания постоянного тока соединены с отрицательным полюсом общей шины питания устройства в точке Б, причем отрицательный полюс общей шины питания устройства в точке Б электрически изолирован от местного защитного заземления в точке В, корпуса преобразователей первичных сигналов в точке В соединены с местным защитным заземлением в точке з (RU 175583 U1, 11.12.2017, аналог).
Недостаток известного устройства, аналога заключается в необходимости прокладки линии обеспечения электропитания и телеметрии.
Из уровня техники известен счетчик массового расхода и массы вязких жидкостей с автономным источником питания, состоящий из корпуса, измерительного блока, входного и выходного коллекторов, при этом корпус представляет собой горизонтально расположенный цилиндрический сосуд, на обечайке которого перпендикулярно оси выполнены два соосных отверстия для входа/выхода вязкой жидкости посредством герметично присоединенных входного и выходного коллекторов, а на входном отверстии установлено устройство моделирования формы потока, к корпусу через фланец прикреплена крышка измерительного блока с герметизацией соединения с помощью резиновой прокладки, причем на внутреннем торце крышки выполнены три отверстия с резьбой, в которые установлены шпильки, служащие осями для крепления опоры и установки на них ударогасителей, перемещение которых ограничено шайбой и шплинтом, а на торце крышки и опоры имеются соосные отверстия с подшипниками, и в них установлена ось измерительного блока, который является подвижной системой и состоит из двух призматических ковшей треугольного сечения и боковых пластин, к которым прикреплен груз, при этом измерительный блок снабжен, по меньшей мере, одним постоянным магнитом и расположен в цилиндрическом корпусе, а на наружном торце крышки измерительного блока выполнены отверстия для крепления электромагнитного датчика, ручек и уровня, причем отверстие для крепления электромагнитного датчика выполнено таким образом, что его центр совпадает с траекторией движения постоянного магнита измерительного блока, а электромагнитный датчик связан с вычислителем, при этом для организации питания счетчика к цилиндрическому корпусу, в котором расположен измерительный блок, с внешней стороны прикреплен батарейный отсек с установленным внутри него заменяемым источником питания в виде литий-тионилхлоридной батареи (RU 195427 U1, 28.01.2020, является прототипом).
Недостаток известного прототипа заключается в необходимости прокладки линии телеметрии. Недостатком является также погрешность измерения расхода и накопленной массы при установке счетчика с отклонением от линии горизонта.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание устройства, с устраненными недостатками известного уровня техники, прототипа.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в обеспечении возможности автономного функционирования счетчика массового расхода и массы жидкости без подвода к счетчику линии телеметрии, для обеспечения передачи данных.
Как следствие заявляемого технического результата является возможность, позволяющая дистанционно, по радиоканалу снимать показания и проводить диагностику и настройку.
Заявляемый технический результат достигается за счет того, что автономный счетчик массового расхода и массы жидкости состоящий из корпуса, измерительного блока, входного и выходного коллекторов, при этом корпус представляет собой горизонтально расположенный цилиндрический сосуд, на обечайке которого перпендикулярно оси выполнены два соосных отверстия для входа/выхода жидкости посредством герметично присоединенных входного и выходного коллекторов, а на входном отверстии установлено устройство моделирования формы потока, к корпусу через фланец прикреплена крышка измерительного блока с герметизацией соединения с помощью резиновой прокладки, причем на внутреннем торце крышки выполнены три отверстия с резьбой, в которые установлены шпильки, служащие осями для крепления опоры и установки на них наборных демпферов, перемещение которых ограничено шайбой и шплинтом, а на торце крышки и опоры имеются соосные отверстия с подшипниками, и в них установлена ось измерительного блока, который является подвижной системой и состоит из двух призматических ковшей треугольного сечения и боковых пластин, к которым прикреплен груз, при этом измерительный блок снабжен постоянным магнитом и расположен в цилиндрическом корпусе, а на наружном торце крышки измерительного блока выполнены отверстия для крепления электромагнитного датчика, ручек и уровня, причем отверстие для крепления электромагнитного датчика выполнено таким образом, что его центр совпадает с траекторией движения постоянного магнита измерительного блока, а электромагнитный датчик связан с вычислителем, при этом для организации питания счетчика к цилиндрическому корпусу, в котором расположен измерительный блок, с внешней стороны прикреплен внешний отсек с установленным внутри него заменяемым источником питания в виде литий-тионилхлоридной батареи при этом сигнал от электромагнитного датчика поступает на плату электронного корректора, которая периодически транслирует данные о расходе и накопленной массе в цифровом кодированном виде в радиоэфир посредством трансивера LoRaWan, при этом плата электронного корректора, трансивер радиоканала связи LoRaWan и элемент питания помещается во внешний взрывобезопасный отсек.
Кроме того, измерительный блок дополнительно снабжен несколькими постоянными магнитами.
Кроме того, электромагнитный датчик представляет собой геркон.
Кроме того, электромагнитный датчик представляет собой датчик Холла.
Кроме того, автономный счетчик массового расхода и массы жидкости дополнительно содержит блок электрического обогрева.
Отличительной особенностью заявляемой полезной модели является создание конструкции счетчика массового расхода, позволяющего автономное функционирование счетчика, без подвода к счетчику ЛЭП и телеметрии, а также позволяющего дистанционно, по радиоканалу снимать показания и проводить диагностику и настройку.
Кроме того, конструктивное выполнение заявляемой полезной модели обеспечивает автономность работы в течение длительного времени, возможность применения в труднодоступной местности, без прокладки линии электропередач, что снижает затраты на установку и риск на потери связи в случаях повреждения кабельных конструкций. Предлагаемый автономный счетчик массового расхода и массы жидкости позволяет дистанционно выполнять диагностику, настройку счетчика, без выезда обслуживающего персонала, что позволяет существенно снизить затраты на обслуживание оборудования.
Автономность работы заявляемого счетчика массового расхода и массы жидкости обеспечивается применением модуля трансивера радиоканала связи LoRaWan, который обеспечивает радиотелеметрию, а также применения в качестве источника питания гальванический элемент питания, а именно литий-тионилхлоридную батарею.
2
Выбор в качестве заменяемого источника питания литий-тионилхлоридной (LiSOCl) батареи связан с тем, что она является оптимальным источником питания для устройств с небольшим токопотреблением, но с продолжительным сроком автономной работы.
Такой источник питания обычно имеет небольшой максимальный ток разряда (порядка 0.02С), при этом, отличаются крайне малым значением саморазряда (менее 1-2% в год) и большими значениями удельной энергоемкости.
2
К преимущества заменяемого источника питания LiSOCl, следует отнести:
высокая энергоемкость - до 35 Ач у максимальных типоразмеров;
малый саморазряд при длительном сроке службы - до 10 лет (менее 1% от номинальной емкости в течение одного года хранения при комнатной температуре +25°С);
долгий срок хранения - более 10 лет;
высокое и стабильное напряжение 3.6 В, позволяющее напрямую, либо с использованием регуляторов напряжения, питать различные устройства с номинальным напряжением 3.3 В и ниже;
широкий диапазон рабочих температур от -60 до +85°С;
высокая нагрузочная способность при импульсной нагрузке вследствие малого внутреннего сопротивления;
защита от перегрузки и короткого замыкания с помощью встроенного позистора (РТС);
герметичное исполнение и негорючий электролит, как следствие - возможность применения в пожароопасных и взрывоопасных средах;
возможность перевозки любым видом транспорта.
Возможность удаленно мониторить состояние работы и получения данных телеметрии (данные о массовом расходе и массе жидкости) осуществляется посредством трансивера, работающего по радиоканалу связи LoRaWan.
Трансивер осуществляет передачу и прием сигнала между двумя физически разными средами системы связи.
Использования открытого протокола связи LoRaWan определяет архитектуру системы. LoRaWAN разрабатывался с целью организации связи между недорогими устройствами, которые могут работать от автономных источников питания (аккумуляторов, батареек).
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежами.
фиг. 1 - общий вид, корпус;
фиг. 2 - вид счетчика в разрезе сбоку;
фиг. 3 - блок измерительный;
фиг. 4 - место установки электронного корректора, трансивера радиоканала связи LoRaWan и источника питания.
Автономный счетчик массового расхода и массы жидкости состоит из следующих основных узлов: корпус, блок измерительный, входной коллектор 1, выходной коллектор 2, корпус представляет собой горизонтально расположенный цилиндрический сосуд, на обечайке 3 которого перпендикулярно оси выполнены два соосных отверстия для входа/выхода измеряемой среды - жидкости посредством герметично присоединенных входного и выходного коллекторов 1 и 2 соответственно. Причем на входном отверстии установлено устройство моделирования формы потока жидкости 4 для достижения статического режима налива смеси. К корпусу через фланец 5 при помощи кольца 6 крепится крышка 7 блока измерительного. Для придания герметичности соединения используется прокладка, например, из резины. На внутреннем торце крышки выполнены три отверстия с резьбой, в которые устанавливаются шпильки 8, служащие для крепления опоры 9. Кроме того, на данных осях установлены наборные демпферы 10, перемещение которых ограничивается шайбой 11 и шплинтом 12. На торце крышки и опоры имеются соосные отверстия с подшипниками, в них установлена ось 13 блока измерительного.
Блок измерительный является подвижной системой и состоит из измерительной камеры в виде двух призматических ковшей 14 треугольного сечения и боковых пластин 15, к которым крепится груз 16, причем на нижней плоскости посередине двух призматических ковшей установлен постоянный магнит 17.
На наружном торце крышки блока измерительного выполнено отверстие для крепления электромагнитного датчика 18, ручек 19 и уровня 20. Отверстие для крепления электромагнитного датчика выполнено таким образом, что его центр совпадает с траекторией движения постоянного магнита блока измерительного.
Дополнительно заявляемая полезная модель может быть дооснащена блоком электрического обогрева, который может состоять из электрического греющего кабеля 21, закрепленного на внешней поверхности корпуса. Автономный счетчик массового расхода и массы жидкости, взрывозащищенной клеммной коробки 22, предназначенной для подключения, при наличии на месте установки, внешнего питающего напряжения, теплоизоляционной крышки 23, теплоизоляционного объемного наполнителя 24.
Электромагнитный датчик 18 представляет собой геркон или датчик Холла и предназначен для фиксации изменения положения измерительных ковшей. Сигнал от электромагнитного датчика поступает на плату электронного корректора, как вариант выполнения сигнал может поступить также на электронное счетное устройство (данный вариант не является предметом патентования по данной заявке).
Плата электронного корректора 25 предназначена для приема сигналов от электромагнитного датчика и последующего вычисления и коррекции расхода и накопленной массы. Данные о расходе и накопленной массе периодически транслируются через антенну 28 в цифровом кодированном виде в радиоэфир посредством трансивера LoRaWan. Сигнал в виде модулированного электрического напряжения и сигнал в виде модулированного электрического тока от платы электронного корректора можно подавать непосредственно в систему внешней телеметрии или в электронное счетное устройство (как вариант, не является объектом патентования по данной заявке). Плата электронного корректора, трансивер радиоканала связи LoRaWan 29 и элемент питания 27 помещается во взрывобезопасный корпус 26.
Принцип действия полезной модели основан на поочередном заполнении измеряемой средой - жидкостью одного из двух призматических ковшей, находящихся в измерительной камере с грузовым уравновешиванием и последующим их опрокидыванием в момент достижения в них определенной массы жидкости. Время заполнения измерительных ковшей определяет массовый расход протекающей жидкости.
Для ввода рабочей среды - жидкости предназначен входной коллектор и устройство моделирования формы потока жидкости. Для вывода рабочей среды из корпуса автономного счетчика массового расхода и массы жидкости предназначен выходной коллектор, форма которого обеспечивает беспрепятственный способ слива жидкости, что значительно снижает требования к величине избыточного давления внутри корпуса автономного счетчика массового расхода и массы жидкости.
Измеряемая среда - жидкость подается во входной коллектор, затем через устройство моделирования формы потока в измерительную камеру, для заполнения одного ковша измерительной камеры до величины (в единицах массы), приводящей к изменению условия устойчивого равновесия, обусловленного положением центра масс ковшей в измерительной камере, приводит к повороту ковша и сливу жидкости из ковша в корпус автономного счетчик массового расхода и массы жидкости. Затем этот процесс повторяется на втором ковше камеры. Одновременно в выходной коллектор вытесняется жидкость, находящаяся в нижней части корпуса автономного счетчика массового расхода и массы жидкости.
Дополнительный блок электрического обогрева предназначен для повышения температуры измеряемой среды и, как следствие, уменьшения значения параметра вязкости жидкости. Блок электрического обогрева позволяет даже высоковязким жидкостям беспрепятственно проходить через счетчик без риска налипания на внутренних механических элементах счетчика, а также без необходимости поддержания высокого значения избыточного давления внутри корпуса автономного счетчика массового расхода и массы жидкости.
При прохождении постоянного магнита оси электромагнитного датчика, последним формируется электрический импульс, фиксируемый электронным счетным устройством, и начинается отсчет времени налива, который останавливается после повторного похождения магнитом оси после заполнения ковша.
Таким образом, заявляемым устройством обеспечивается возможность автономного функционирования счетчика массового расхода и массы жидкости без подвода к счетчику линии телеметрии, для обеспечения передачи данных.