ДАТЧИК ПРОТОКА ЖИДКОСТИ

Настоящая полезная модель относится к измерительной технике, в частности к датчику протока жидкости, который предназначен для непрерывного контроля и сигнализации о наличии или отсутствии протока жидкости с заданным объемом в единицу времени.
Из уровня техники известен датчик расхода жидкости (прототип - CN 1417564 A, 14.05.2003), содержащий корпус, в котором установлена крыльчатка, вращаемая потоком жидкости, водонепроницаемую перегородку, соединенную с корпусом, механизм преобразования, обеспечивающий преобразование частоты вращения крыльчатки в количественный расход жидкости за единицу времени, при этом кинематическая связь крыльчатки и механизма преобразования осуществляется путем магнитного взаимодействия через водонепроницаемую перегородку, кроме того механизм преобразования содержит растровый диск с щелями, установленный на оси и вращающийся между излучателем света и приемником.
Таким образом, при вращении крыльчатки и соответственно растрового диска на выходе приемника формируются импульсные сигналы, число которых пропорционально объему протекающего жидкости. Импульсные сигналы с выхода приемника периодически обрабатываются электронным модулем и отображаются элементами индикации в виде объема протекающей жидкости в единицу времени (в режиме измерения протока) или в виде суммарного объема (в режиме измерения расхода жидкости).
Такому датчику присущ следующий существенный недостаток -большая погрешность измерения при наличии вибрации корпуса датчика, а такие условия наиболее часто встречаются при использовании датчика в системах контроля протока охлаждающей жидкости в промышленном оборудовании. Вибрация корпуса датчика приводит к формированию дополнительных импульсов на выходе приемника из-за колебаний растрового диска относительно оптоэлектронного узла съема информации, который конструктивно (жестко) связан с корпусом датчика. При этом на выходе приемника формируются паразитные импульсы с частотой колебаний диска, что вносить погрешность в результаты измерения объема протекающей жидкости. Кроме того, из-за наличия вибрации на выходе такого датчика возникает сигнал о наличии протока даже тогда, когда реальный проток отсутствует.
Этот недостаток снижает область использования датчика, делает невозможным в условиях вибрации измерение малых протоков жидкости. Меры по снижению вибрации требуют доработки установленного оборудования и дополнительных затрат на их осуществление.
Технический результат, заявленной полезной модели, заключается в повышении точности измерений в условиях механической вибрации.
Точность работы датчика в условиях вибрации достигается за счет использования двух фотоприемников, которые пространственно расположены относительно щелей растрового диска так, чтобы обеспечить формирование импульсов со сдвигом на 90 градусов при вращении диска. Это позволяет определить направление поворота растрового диска: - по часовой или против часовой стрелки в данный момент поворачивается диск. При повороте диска по часовой стрелке импульсы на выходе первого фотоприемника опережают по фазе на 90 градусов импульсы второго приемника, а во втором случае - отстают на 90 градусов. Таким образом, контроллер суммирует импульсы с фотоприемников с учетом знака, что обеспечивает фильтрацию паразитных импульсов возникающих от колебаний растрового диска из-за вибрации.
Таким образом, технический результат достигается тем, что датчик протока жидкости содержащий корпус, в котором установлена крыльчатка, вращаемая потоком жидкости, водонепроницаемую перегородку, соединенную с корпусом, механизм преобразования, обеспечивающий преобразование частоты вращения крыльчатки в количественный расход жидкости за единицу времени, элементы индикации, обеспечивающие индикацию текущих и предельных параметров жидкости, панель, обеспечивающая размещение элементов индикации, систему электропитания, посредством которой обеспечивается питание электрических элементов датчика от источника электроснабжения, при этом кинематическая связь крыльчатки и механизма преобразования осуществляется путем магнитного взаимодействия через водонепроницаемую перегородку, кроме того механизм преобразования содержит растровый диск с щелями, установленный на оси и вращающийся между излучателем света и приемником с возможностью при синхронном вращении крыльчатки и диска формирования на выходе импульсных сигналов с частотой пропорциональной скорости протока жидкости, кроме того, приемник выполнен в виде двух фотоприемников, которые пространственно расположены относительно щелей растрового диска с возможностью формирования импульсов со сдвигом на 90 градусов при вращении диска, при этом импульсные сигналы, сформированные приемником, поступают на вход контроллера, который преобразовывает количество импульсов в расход жидкости, а по меньшей мере один выход контроллера связан с по меньшей мере одним элементом индикации.
В предпочтительном варианте осуществления датчика излучатель света выполнен инфракрасным.
В другом из предпочтительных вариантов выполнения датчика, источник питания выполнен внешним или внутреним.
В другом из предпочтительных вариантов выполнения датчика, корпус выполнен из латуни или сплава на основе латуни.
В другом из предпочтительных вариантов выполнения датчика, текущими параметрами жидкости являются, по меньшей мере, значения расхода жидкости и температуры жидкости, а предельными параметрами значения о превышении заданного объема расхода жидкости и превышении заданной температуры жидкости.
В другом из предпочтительных вариантов выполнения датчика по меньшей мере, один элемент индикации выполнен в виде дисплея и/или светодиодов.
В другом из предпочтительных вариантов выполнения датчика, один из светодиодов включается контроллером, когда имеет место превышение заданного объема расхода жидкости.
В другом из предпочтительных вариантов выполнения датчика, дополнительно содержит второй светодиод, выключаемый контроллером, когда имеет место превышение заданной температуры жидкости.
В другом из предпочтительных вариантов выполнения датчика дополнительно содержит датчик температуры, соединенный с контроллером.
В другом из предпочтительных вариантов выполнения датчика контроллер выполнен с возможностью вычисления и вывода на дисплей текущей температуры жидкости.
В другом из предпочтительных вариантов выполнения датчика ввод предельных значений, обеспечивается элементом ввода, выполненным, например, в виде кнопки, тумблера, сенсорной панели.
В другом из предпочтительных вариантов выполнения датчика предельные значения по расходу жидкости вводятся в диапазоне от 2 до 24 л/мин, а по температуре в диапазоне от 5 до 70 0C.
В другом из предпочтительных вариантов выполнения датчика магнитное взаимодействие крыльчатки и механизма преобразования обеспечивается по меньшей мере парой постоянных магнитов.
На фиг.1 приведен общий вид предлагаемого датчика протока жидкости.
На фиг.2 схематично представлен двухканальный инфракрасный фотоприемник, формирующий по каждому каналу импульсы при вращении диска.
На фиг.3 показан пример отображения на дисплее исследуемых параметров жидкости.
В соответствии с фиг.1 датчик протока жидкости содержит предпочтительно латунный корпус 1, водонепроницаемую перегородку 2, крыльчатку 3, герметичную перегородку 4, медный теплопроводник 5 от корпуса датчика до датчика температуры 6, цифровой индикатор 7, растровый диск с щелями 8, приемник 9, выполненный в виде двух инфракрасных фотоприемников, плату с контроллером/микроконтроллером 10, инфракрасный излучатель светодиод 11, постоянные магниты 12.
На фиг.2 схематично показано, что из-за пространственного сдвига между фотоприемниками электрические импульсы на их выходах формируются с относительным во времени (фазовым) сдвигом и этот сдвиг зависит от направления вращения диска.
Принцип действия датчика протока жидкости основан на измерении частоты вращения крыльчатки, находящейся во взаимодействии с протекающей в системе жидкостью (например, водой). При этом элементы преобразующие частоту вращения в последовательность импульсов не имеют контакта с жидкостью, т.к. кинематическая связь между крыльчаткой и растровым диском оптоэлектронного преобразователя частоты вращения осуществляется путем магнитного взаимодействия через водонепроницаемую перегородку. Растровый диск с щелями вращается между инфракрасным излучателем света и приемником. При прохождении света через щель приемник формирует сигнал. При протоке жидкости крыльчатка и диск синхронно вращаются и на выходе формируются импульсные сигналы с частотой пропорциональной скорости протока.
Вышеописанные элементы датчика образуют первичный преобразователь, который обеспечивает формирование 1728 импульсов при прохождении 1-го литра жидкости. Если скорость протока жидкости будет составлять N л/мин, то частота выходного сигнала с первичного преобразователя будет определяться формулой:
F=(N×1728 имп) / 60 сек
При скорости протока 1 л/мин выходная частота импульсов будет равна 28,8 Гц, а при скорости протока 24 л/мин - 691 Гц.
Частотный сигнал с выхода первичного преобразователя поступает на вход контроллера/микроконтроллера, который преобразовывает количество импульсов в расход жидкости (л/мин), выводит полученное значение на дисплей и сравнивает его с заданной уставкой. Если расход жидкости превышает заданный объем, то контроллер сигнализирует об этом, открывая выходной ключ и зажигая соответствующий светодиод на передней панели.
Также контроллер измеряет и выводит на дисплей текущую температуру системы охлаждения, и сигнализирует, если температура жидкости (воды) превышает заданную уставку: закрывая соответствующий выходной ключ и выключая светодиод на передней панели.
Это позволяет в промышленных система контроля протока охлаждающей жидкости эффективно настраивать систему охлаждения на оптимальный проток охлаждающей жидкости. Оптимальным считается такой проток жидкости, когда ее температура на выходе не должна превышать заданное пороговое значение и, в то же время, должна прогреваться относительно температуры на входе в процессе охлаждения. В противном случае объема протока охлаждающей жидкости слишком велик, если в процессе охлаждения не успевает нагреться до приемлемой температуры. При этом необходимо уменьшит проток до оптимального значения.
Уставки по расходу и температуре могут быть настроены с помощью кнопки в следующих диапазонах: расход - в диапазоне 2…24 л/мин, температура - в диапазоне 5…70°C.
Для выполнения этих функций для каждого параметра (проток и температура) микроконтроллер сравнивает текущий (измеренный) параметр с заданным (пороговым) значением, которая предварительно вводится и хранится в энергонезависимой памяти микроконтроллера. Состояния дискретных сигналов по каждому каналу отображаются светодиодными индикаторами.
На дисплее в реальном масштабе времени отображаются текущий расход в л/мин и температура в градусах Цельсия.
На фиг.3 приведен пример показаний: на дисплее в реальном масштабе времени отображаются текущий расход в л/мин и температура в градусах Цельсия.
Текущий расход - 3,6 л/мин, температура - 28°C.
Рядом с дисплеем расположены два светодиодных индикатора (на чертежах не указаны), сигнализирующие о превышении заданного расхода и перегреве жидкости (воды) в системе охлаждения.
Если расход превышает заданную уставку, то контроллер открывает соответствующий ключ и зажигает индикатор расхода. Гаснет индикатор расхода в том случае, если расход опускается ниже заданной уставки и величины гистерезиса, который зависит от того, на какой интервал попадает заданная уставка.
Ниже приведена таблица гистерезиса для разных интервалов расхода:
Уставка
Гистерезис
1-5 л/мин -
0,5 л/мин
5-15 л/мин -
1,0 л/мин
15-25 л/мин -
2,0 л/мин
Например, если по расходу задана уставка 3 л/мин, то индикатор расхода, сигнализирующий о превышении заданного расхода, загорится при достижении 3 л/мин, а погаснет при расходе равном 2,5 л/мин (3-0,5=2,5). Если же уставка равна 12 л/мин, то индикатор загорится при 12 л/мин, а погаснет при 11 л/мин.
У индикатора температуры логика обратная. Если температура превышает заданную уставку, то соответствующий ключ закрывается, а индикатор температуры гаснет, сигнализируя о том, что температура не в норме (перегрев!). Зажигается же индикатор температуры, когда последняя опускается ниже заданной уставки и величины гистерезиса, равной 6°C независимо от величины уставки.
Например, если по температуре задана уставка 60°C, то индикатор погаснет при температуре больше или равной 60°C, а загорится вновь, когда температура станет равной 54°C.