СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ЖИДКОЙ СРЕДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF MEASUREMENT OF LIQUID MEDIUM FLOW RATE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Область техники
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения малых расходов воды, этилового спирта, бензина, который содержит или не содержит этиловый спирт, дизельного топлива, керосина.
Предшествующий уровень техники
Известен способ измерения малых расходов жидкости путем введения в поток жидкости метки (см. описание к а.с. СССР №685916, МПК G01F 1/70) - аналог предлагаемого способа измерения расхода жидкой среды, заключающийся в том, что создают циркуляцию жидкости с меткой в виде газового пузырька по двум идентичным параллельным ветвям, образующим циркуляционный контур, определяют скорости метки в параллельных ветвях контура и по их разности судят о расходе.
Периодически меняют направление движения жидкости с меткой и вычисляют расход как среднее арифметическое расходов при разных направлениях движения метки.
В указанном способе-аналоге расход жидкой среды измеряют за счет изменения разности скоростей движения метки в параллельных ветвях контура или как среднее арифметическое расходов при разных направлениях движения метки.
При турбулентном течении жидкости метка в виде газового пузырька быстро разрушается. Вследствие этого указанный способ-аналог не может измерять расход жидкостей, которые имеют турбулентное течение жидкости (турбулентный поток жидкости), что сужает область применения способа-аналога.
Наиболее близким аналогом-прототипом предлагаемого способа измерения расхода жидкой среды является способ определения расхода топлива (см. описание к а.с. СССР №1835490 А1, МПК G01F 1/66). Указанный способ-прототип может быть использован для измерения малых расходов жидкостей, в частности, в расходомерах топлива в автомобилях, и 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-прототипе 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.
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, образованных в жидкости.
Низкая точность измерения поляризационного расходомера определяется трудностью поддержания с высокой точностью постоянным высокого напряжения источника питания, например, при изменении температуры внешней среды.
Для поляризации жидкости необходимо высокое напряжение. Вследствие этого поляризационный расходомер не может измерять расход горючих жидкостей, например бензина, дизельного топлива, керосина, что сужает область применения поляризационного расходомера.
Наиболее близким аналогом-прототипом предлагаемого устройства для измерения расхода жидкой среды, осуществляющего техническую реализацию предлагаемого способа, является меточный тепловой расходомер (см. описание к а.с. СССР №769339, МПК G01F 1/70), который предназначен для измерения расхода жидкостей.
Меточный тепловой расходомер содержит блок управления, источник тепловых меток, основной и дополнительный регистраторы меток, блок измерения, интегрирующий блок, блок отсчета времени, функциональный блок, сумматор, измеритель, измерительный прибор и патрубок трубопровода.
Меточный тепловой расходомер работает следующим образом. Блок управления периодически включает источник тепловых меток подачей прямоугольных импульсов с постоянной частотой в цепь питания источника меток. В качестве неконтактных источников тепловых меток можно использовать СВЧ, ВЧ или ИК-излучатели.
Скорость потока определяется путем измерения времени движения метки от места ввода ее в поток до первого (по ходу потока) основного регистратора тепловых меток. Время фиксируется следующим образом. Управляющий импульс с блока управления включает источник тепловых меток и запускает блок отсчета времени. Отключается блок отсчета времени сигналом с основного регистратора в момент фиксации тепловой метки.
В блоке измерения суммируются сигналы, поступающие с основного и дополнительного регистраторов.
Выходной сигнал с блока измерения, представляющий собой разность сигналов с основного и дополнительного регистраторов, непрерывно интегрируется интегратором и измеряется измерительным блоком. В момент, когда разность сигналов с основного и дополнительного регистраторов равна нулю, выходной сигнал измерителя, являющийся функцией расхода и состава, сравнивается в сумматоре с опорным сигналом, который вырабатывается функциональным блоком.
Величина опорного сигнала равна интегральной разности температур в зоне регистраторов при постоянном начальном составе среды для полученных в блоке отсчета времени значений расхода.
Разность опорного сигнала и измеренного, получаемая на выходе сумматора, функционально связана с составом измеряемой среды.
Совокупность времени движения тепловой метки от источника тепловых меток до регистратора и состава измеряемой среды позволяет получить массовый расход, регистрируемый измерительным прибором.
В меточном тепловом расходомере совокупность времени движения тепловой метки от источника тепловых меток до регистратора и состава измеряемой среды является мерой измерения расхода измеряемой среды.
В указанном расходомере-прототипе при изменении температуры излучателя (источника тепловых меток) изменяются мощность излучения и ширина спектра излучения излучателя, что снижает точность измерения расхода жидкой среды.
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, чувствительность 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 жидкую среду, возбуждают резонансные электромагнитные колебания и измеряют частоту резонансных электромагнитных колебаний, и отличительных существенных признаков, таких как, в колебательном контуре, который содержит катушку индуктивности колебательного контура и конденсатор колебательного контура, возбуждают резонансные колебания электромагнитного поля, поляризуют переменным электрическим полем конденсатора колебательного контура жидкую среду, включают излучатель путем подачи импульса накачки в цепь питания излучателя, нагревают жидкую среду за счет потока излучения излучателя, поглощенного жидкой средой, вследствие этого уменьшают диэлектрическую проницаемость жидкой среды и создают диэлектрическую метку в потоке жидкой среды, при этом излучатель выполняет функцию источника диэлектрических меток, изменяют емкость конденсатора колебательного контура и частоту резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура, измеряют частоту резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура, а расход жидкой среды измеряют за счет изменения времени от момента включения излучателя и до момента регистрации максимума частоты резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура.
В предлагаемом способе расход жидкой среды измеряют за счет изменения времени (промежутка времени, интервала времени) от момента включения излучателя и до момента регистрации максимума частоты резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура при перемещении диэлектрической метки между первой и второй обкладками конденсатора колебательного контура, что расширяет арсенал технических средств для измерения расхода жидкой среды.
В предлагаемом способе конечный момент указанного времени определяют по моменту регистрации максимума частоты резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура.
Вследствие этого происходит уменьшение влияния на результат измерения расхода жидкой среды изменений мощности излучения и ширины спектра излучения излучателя, например, при изменении температуры или деградации со временем излучателя, что повышает точность измерения.
Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных во 2-м пункте формулы изобретения, общих с устройством-прототипом, таких как устройство для измерения расхода жидкой среды, содержащее излучатель, чувствительный элемент и измерительную схему, и отличительных существенных признаков, таких как, колебательный контур выполняет функцию чувствительного элемента и является гальванически развязанным от измерительной схемы, при этом колебательный контур содержит катушку индуктивности колебательного контура и конденсатор колебательного контура, причем жидкая среда размещена в трубопроводе между первой и второй обкладками конденсатора колебательного контура, а измерительная схема содержит катушку индуктивности подкачки энергии в колебательный контур и катушку индуктивности считывания частоты резонансных колебаний колебательного контура.
В пункте 3 формулы изобретения нашла отражение особенность выполнения излучателя, а именно, в качестве излучателя предпочтительно используют инфракрасный светодиод.
В пункте 4 формулы изобретения нашла отражение особенность выполнения трубопровода, а именно, трубопровод предпочтительно выполнен из сапфира и выполняет функцию световода.
В конструкции предлагаемого устройства для измерения расхода жидкой среды есть катушка индуктивности подкачки энергии в колебательный контур и катушка индуктивности считывания частоты резонансных колебаний колебательного контура.
Вследствие этого колебательный контур является гальванически развязанным от измерительной схемы (нет соединительных проводников между колебательным контуром и измерительной схемой), что повышает точность измерения и чувствительность предлагаемого устройства.
В предлагаемом устройстве трубопровод выполнен из сапфира и выполняет функцию световода (светопровода) потока излучения излучателя, что повышает технологичность изготовления.
При этом нет отдельного световода, установленного в стенке трубопровода.
Вышеперечисленная совокупность существенных признаков позволяет получить следующий технический результат - расширение арсенала технических средств для измерения расхода жидкой среды, повышение точности измерения, чувствительности и технологичности изготовления устройства для измерения расхода жидкой среды.
Краткое описание фигур чертежей
Устройство для измерения расхода жидкой среды, осуществляющее техническую реализацию предлагаемого способа, иллюстрируется следующими чертежами:
Фиг.1. Устройство для измерения расхода жидкой среды, продольный разрез.
Фиг.2. Вид А на фиг.1.
Фиг.3. Разрез по A-A фиг.1.
Фиг.4. Разрез по B-B фиг.1.
Фиг.5. Разрез по C-C элемента крепления, кольца, каркаса и трех катушек индуктивности, изображенных на фиг.1.
Фиг.6. Структурная схема устройства для измерения расхода жидкой среды.
Осуществление изобретения
В качестве примера рассмотрим устройство для измерения расхода жидкой среды, осуществляющее техническую реализацию предлагаемого способа, которое может быть использовано для измерения малых расходов воды, этилового спирта, бензина, который содержит или не содержит этиловый спирт, дизельного топлива, керосина.
Предлагаемое устройство для измерения расхода жидкой среды содержит трубопровод 1 (см. фиг.1, 2, 3, 4) из диэлектрического материала, излучатель, элемент крепления 12 (см. фиг.5), кольцо 13, каркас 14, чувствительный элемент и измерительную схему 7 (см. фиг.6).
Трубопровод 1 состоит из двух пластин, которые предпочтительно выполнены из сапфира (одноосного кристалла) и соединены между собой с помощью стеклоцемента.
Высота прямоугольного отверстия проточной части трубопровода 1 равна толщине соединительного слоя из стеклоцемента.
-6
Направление С-оси сапфира обозначено на фиг.1 стрелкой. Температурный коэффициент линейного расширения сапфира при Т=323°К перпендикулярно С-оси составляет 5×10 1/°C.
Температурные коэффициенты расширения стеклоцемента и сапфира перпендикулярно С-оси согласуют между собой. Вследствие этого практически отсутствуют температурные напряжения между соединительным слоем из стеклоцемента и двумя пластинами из сапфира.
В качестве излучателя используют инфракрасный светодиод 6 (инфракрасный излучатель), например, типа SFH 4236 компании OSRAM Opto Semiconductors (инфракрасный светодиод 6 выполняет функцию излучателя).
В общем случае в качестве излучателя может быть использован инфракрасный лазерный диод.
На фиг.1 показаны часть линзы инфракрасного светодиода 6 (обозначена двойной штриховкой) и часть элемента крепления инфракрасного светодиода 6.
Элемент крепления 12, кольцо 13 и каркас 14 выполняют из диэлектрического материала, предпочтительно керамики.
Колебательный контур 3 выполняет функцию чувствительного элемента. Колебательный контур 3 содержит катушку индуктивности 4 колебательного контура и конденсатор 5 колебательного контура.
Катушку индуктивности 4 колебательного контура выполняют путем вплавления провода малого диаметра из серебра в спиральную проточку на внешней цилиндрической поверхности кольца 13. При этом катушка индуктивности 4 колебательного контура является однослойной (имеет минимальную собственную емкость).
На фиг.1, 5 катушка индуктивности 4 колебательного контура обозначена пунктирной линией.
Конденсатор 5 колебательного контура содержит первую 8 и вторую 9 обкладки конденсатора колебательного контура, которые имеют форму круга и выполнены в виде тонких металлических пленок из молибдена (см. фиг.2, 3, 4). Первый и второй выводы катушки индуктивности 4 колебательного контура соединяют соответственно с первой 8 и второй 9 обкладками конденсатора колебательного контура.
Жидкая среда 2 размещена в трубопроводе 1 между первой 8 и второй 9 обкладками конденсатора колебательного контура.
Функцию жидкой среды 2 могут выполнять:
1. Неполярная жидкая среда, например бензин, который не содержит этиловый спирт, дизельное топливо, керосин.
2. Полярная жидкая среда, например вода, этиловый спирт.
3. Слабополярная жидкая среда, например бензин, содержащий 5% и более этилового спирта.
Температура жидкой среды 2 находится внутри диапазона температур, в котором при повышении температуры жидкой среды 2 диэлектрическая проницаемость жидкой среды 2 уменьшается.
Измерительная схема 7 содержит катушку индуктивности 10 подкачки энергии в колебательный контур, катушку индуктивности 11 считывания частоты резонансных колебаний колебательного контура, элемент ИЛИ 15, транзистор 16, компаратор 17, резистор 18, вычислительное устройство и генератор прямоугольных импульсов (не показаны).
Второй вход 19 элемента ИЛИ 15 является входом запуска непрерывных незатухающих резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура 3. Выход элемента ИЛИ 15 соединяют с базой транзистора 16, эмиттер которого соединяют с выводом «Общий» питания.
Первый и второй выводы катушки индуктивности 10 подкачки энергии в колебательный контур 3 соединяют соответственно с коллектором транзистора 16 и первым выводом резистора 18, второй вывод которого соединяют с плюсовым выводом 20 источника питания измерительной схемы 7.
Первый и второй выводы катушки индуктивности 11 считывания частоты резонансных колебаний колебательного контура соединяют соответственно с выводом «Общий» питания и прямым входом компаратора 17, на инверсный вход которого подают опорное напряжение. Выход компаратора 17 соединяют с первым входом элемента ИЛИ 15 и вычислительным устройством.
Катушку индуктивности 10 подкачки энергии в колебательный контур и катушку индуктивности 11 считывания частоты резонансных колебаний колебательного контура выполняют намоткой проводом на каркасе 14.
На фиг.2, 6 направление потока жидкой среды 2 обозначено стрелкой. На фиг.6 три стрелки обозначают поток излучения инфракрасного светодиода 6.
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 19 элемента ИЛИ 15 из параллельного канала измерительной схемы 7 подают единичный положительный импульс. С выхода элемента ИЛИ 15 положительный импульс поступает на базу транзистора 16 и открывает его.
В моменты изменения токов в катушке индуктивности 10 подкачки энергии в колебательный контур наводят ЭДС - электродвижущие силы индукции в катушке индуктивности 4 колебательного контура и возбуждают в колебательном контуре 3 резонансные колебания электромагнитного поля.
Частота резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура 3 снимается с катушки индуктивности 11 считывания частоты резонансных колебаний колебательного контура и поступает на вход компаратора 17. С выхода компаратора 17 положительные сигналы прямоугольной формы поступают в вычислительное устройство измерительной схемы 7 и на первый вход элемента ИЛИ 15.
С выхода элемента ИЛИ 15 прямоугольные импульсы поступают на базу транзистора 16, при открывании которого через катушку индуктивности 10 подкачки энергии в колебательный контур протекают токи, при изменении которых в катушке индуктивности 4 колебательного контура наводят ЭДС индукции.
При этом в положительные полупериоды колебаний колебательного контура 3 подкачка энергии в колебательный контур 3 происходит во время увеличения тока в катушке индуктивности 10 подкачки энергии в колебательный контур, а в отрицательные полупериоды колебаний колебательного контура 3 подкачка энергии происходит во время уменьшения тока.
Так как передача энергии в колебательный контур 3 происходит в моменты изменения токов в катушке индуктивности 10 подкачки энергии в колебательный контур 3 (под действием ЭДС индукции наводятся токи согласные с направлением токов в колебательном контуре 3). При этом увеличивают амплитуды токов резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура 3 и определяют частоту резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура 3.
Таким образом, в колебательном контуре 3, который содержит катушку индуктивности 4 колебательного контура и конденсатор 5 колебательного контура, возбуждают резонансные колебания электромагнитного поля и поляризуют переменным электрическим полем конденсатора 5 колебательного контура жидкую среду 2.
Включают инфракрасный светодиод 6 (излучатель) путем подачи импульса накачки (прямоугольного импульса) из генератора прямоугольных импульсов в цепь питания инфракрасного светодиода 6 и нагревают жидкую среду 2 за счет потока излучения инфракрасного светодиода 6, поглощенного жидкой средой 2. При этом через p-n-переход инфракрасного светодиода 6 протекает прямой ток.
Вследствие этого уменьшают диэлектрическую проницаемость жидкой среды 2 и создают диэлектрическую метку в потоке жидкой среды 2. При этом инфракрасный светодиод 6 (излучатель) выполняет функцию источника диэлектрических меток.
При повышении температуры (нагревании) неполярной жидкой среды (или части потока неполярной жидкой среды) уменьшение диэлектрической проницаемости связано с тепловым расширением неполярной жидкой среды и уменьшением плотности (количества поляризующихся молекул) в отдельных точках неполярной жидкой среды диэлектрической метки.
При повышении температуры полярной или слабополярной жидкой среды (части потока полярной или слабополярной жидкой среды) уменьшение диэлектрической проницаемости связано с тепловым расширением полярной или слабополярной жидкой среды и уменьшением плотности (количества поляризующихся молекул) в отдельных точках полярной или слабополярной жидкой среды, а также снижением степени упорядоченности ориентации полярных молекул в переменном электрическом поле конденсатора 5 колебательного контура (хаотическое тепловое движение полярных молекул начинает преобладать над ориентирующим действием переменного электрического поля конденсатора 5 колебательного контура).
Начальная длина диэлектрической метки определяется длиной участка нагрева и скоростью потока жидкой среды 6 на оси трубопровода 1 (потока жидкой среды 2). При этом температура и диэлектрическая проницаемость жидкой среды 2 в отдельных точках диэлектрической метки определяются профилем скоростей потока жидкой среды 2 по сечению трубопровода 1.
Положение минимума диэлектрической проницаемости (или максимума температуры) диэлектрической метки относительно переднего фронта диэлектрической метки вдоль оси трубопровода 1 практически не изменяется в течение всего времени «жизни» (существования) диэлектрической метки.
Перемещают диэлектрическую метку вдоль трубопровода 1 (диэлектрическая метка сносится потоком жидкой среды 2).
При перемещении диэлектрической метки между первой 8 и второй 9 обкладок конденсатора колебательного контура изменяют емкость конденсатора 5 колебательного контура и частоту резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура 3, измеряют частоту резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура 3.
Расход жидкой среды 2 измеряют за счет изменения времени от момента включения инфракрасного светодиода 6 (излучателя) и до момента регистрации максимума частоты (или минимума длительности периода) резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура 3.
При этом происходит уменьшение влияния на результат измерения расхода жидкой среды 2 изменений мощности излучения и ширины спектра излучения инфракрасного светодиода 6, например, при изменении температуры или деградации со временем инфракрасного светодиода 6, что повышает точность измерения.
Момент включения инфракрасного светодиода 6 соответствует переднему фронту импульса накачки (прямоугольного импульса) генератора прямоугольных импульсов, поступающего в цепь питания инфракрасного светодиода 6. При этом через p-n-переход инфракрасного светодиода 6 начинает протекать прямой ток.
Максимум частоты (или минимум длительности периода) резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура 3 может быть определен с помощью высокочастотного генератора вычислительного устройства измерительной схемы 7 путем измерения интервала времени, в который укладывается заданное (определенное) количество периодов резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура 3.
При этом частота высокочастотного генератора вычислительного устройства измерительной схемы 7 может составить более 1 ГТц.
При максимуме частоты резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура 3 расстояние вдоль оси трубопровода 1 от переднего фронта диэлектрической метки и до прямой, проходящей через центры первой 8 и второй 9 обкладок конденсатора колебательного контура, определяется профилем скоростей потока жидкой среды 2 по сечению трубопровода 1.
В дальнейшем цикл измерения расхода жидкой среды 2 повторяется.
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.