РАДИО-ШАРИКОВЫЙ ПЕРВИЧНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ РАСХОДА ЖИДКОСТИ
RADIO BALL PRIMARY CONVERTER OF LIQUID FLOW

Изобретение относится к измерительной технике и радиоэлектронному приборостроению и может использоваться в расходометрии любых жидкостей - электропроводных и неэлектропроводных, прозрачных и непрозрачных, агрессивных, пожаро- и взрывоопасных - в химической, нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей, пищевой и фармацевтической промышленности, в электро- и теплоэнергетике, в жилищно-коммунальном хозяйстве в автоматических системах учета водопотребления и в составе счетчика количества теплоты в водяных системах теплоснабжения.
Радио-шариковые первичные преобразователи расхода жидкостей следует считать особо перспективными в расходометрии нефти и темных нефтепродуктов.
Использование в названии радио-шарикового первичного преобразователя расхода жидкости термина «радио» обусловлено использованием в конструкции преобразователя радиотехнического устройства и явления резонанса в индуктивно-емкостных электрических цепях, на которых базируется радиопередающая, радиоприемная и радиотехническая контрольно-измерительная аппаратура.
Известны многочисленные варианты конструкций шариковых первичных преобразователей расхода жидкостей, в которых используется магнитоиндукционный датчик частоты вращения шарика, выполненного из ферромагнитного материала [Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Справочник. 4-е изд. Л.: Машиностроение, 1989 - 297 с.].
Известен шариковый преобразователь расхода [RU №2253843 С1, 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 А1, 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 А, кл. G01F 1/06, опубл. 07.10.1984 г.], содержащий измерительный участок трубопровода с размещенным в нем первичным преобразователем, состоящим из цилиндрического корпуса с кольцевым каналом, струенаправляющего аппарата, струевыпрямителя и шарика, сужающее устройство, установленное соосно перед первичным преобразователем и каналом для перепуска части потока, а также узел 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:
1. При прохождении ферромагнитного шарика рядом с магнитопроводом магнитоиндукционного датчика происходит его примагничивание (притягивание) и при 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.
Отсутствие плавучести ферромагнитного шарика делает невозможным горизонтальное положение преобразователя, когда вектор силы гравитации Земли направлен перпендикулярно линейному потоку жидкости, так как при небольших расходах жидкости ферромагнитный шарик может остановиться в нижней точке кольцевого канала, то есть прекратить свое вращение.
max
min
3
Использование в известных шариковых первичных преобразователях тяжелого шарика и магнитоиндукционного способа формирования выходного электрического сигнала резко снижает динамический диапазон измерения расхода жидкости G/G и увеличивает погрешность измерения расхода жидкости G [м/ч]. В частности, серийно выпускаемые шариковые первичные преобразователи «Шторм-8А» и «Шторм-32М», используемые в атомной энергетике и внесенные в Государственный реестр средств измерений под №5706-08, имеют узкий рабочий диапазон и весьма большую погрешность измерения:
min
max
max
3
3
- для «Шторм-8А» - G=2 м/ч, G=8 м/ч, предел допустимой основной погрешности измерения, приведенной к G, ±1,5%;
min
max
3
3
3
3
- для «Шторм-32М» - G=8 м/ч, G=50 м/ч, предел допустимой основной погрешности измерения в диапазоне 8÷10 м/ч ± 2,2-2,5%, в диапазоне 10÷50 м/ч ± 1,0-1,5%, согласно ТУ 4213-865-00225555-2007.
3. Выходной сигнал магнитоиндукционного датчика сильно зависит от скорости вращения шарика (скорости прохождения шарика под магнитопроводом магнитоиндукционного датчика): при низких скоростях вращения шарика и, значит, небольших расходах жидкости напряжение, индуцированное в обмотке магнитоиндукционного датчика, 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.
min
max
min
Перечисленные недостатки известных шариковых первичных преобразователей расхода жидкости с ферромагнитным шариком и магнитоиндукционным датчиком делают невозможным их использование при небольших расходах жидкости G и горизонтальном положении преобразователя, при широком рабочем диапазоне расхода жидкости (G/G>4÷6).
Известен шариковый первичный преобразователь расхода электропроводной жидкости [RU 2471154 С1, кл. G01F 1/05, опубл. 27.12.2012, бюлл. №36], состоящий из цилиндрического корпуса с кольцевым каналом, в котором свободно может вращаться шарик, неподвижного струенаправляющего аппарата и узла съема электрического сигнала, отличающийся от шарикового первичного преобразователя расхода жидкости с магнитоиндукционным датчиком и ферромагнитным шариком тем, что шарик выполнен из диэлектрического материала с нулевой плавучестью в жидкости, а в области кольцевого канала, перпендикулярно траектории качения шарика, через проходные изоляторы и заподлицо с поверхностью канала расположены два электрода, благодаря чему преобразователь работоспособен при очень низких расходах жидкости и в горизонтально положении корпуса. Но эта конструкция преобразователя пригодна для расходометрии только электропроводных жидкостей.
Известен электронно-оптический шариковый первичный преобразователь расхода жидкости [патент RU 2548055 С1, кл. G01F 1/06, опубл. 10.04.2015 г.] в двух вариантах конструкции, состоящий из корпуса с кольцевым каналом, в котором свободно может вращаться шарик, струенаправляющего аппарата, и узла формирования выходного электрического сигнала, отличающиеся тем, что для формирования выходного электрического (частотного или число-импульсного) сигнала используется светоизлучатель и фотоприемник, связанные между собой прямой оптической и обратной положительной электронной связями. Но этот тип шарикового первичного преобразователя расхода жидкости пригоден для измерения расхода только прозрачных жидкостей.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является электрошариковый первичный преобразователь расхода электропроводной жидкости [патент RU 2566428 С1, кл. G01F 1/06, опубл. 27.10.2015, бюл. №30], состоящий из корпуса, выполненного из диэлектрического материала, с кольцевым каналом, струенаправляющего аппарата, и узла формирования выходного электрического сигнала в котором используется диэлектрический шарик с нулевой плавучестью в жидкости, в кольцевом канале и в плоскости качения шарика установлены три электрода, из которых средний электрод подключен к выходу операционного усилителя, а два других электрода соединены с инвертирующим и неивертирующим входами того же усилителя, чтобы электрические сопротивления жидкости между средним и двумя другими электродами вместе с двумя вспомогательными резисторами образовывали отрицательную и положительную обратные связи, охватывающие операционный усилитель и управляемых вращающимся шариком. Эта конструкция преобразователя обеспечивает независимость амплитуды и крутизны фронтов выходных прямоугольных импульсов от вида и физических параметров жидкости, величины расхода и температуры электропроводной жидкости, положения первичного преобразователя в пространстве.
Но данный тип шарикового первичного преобразователя расхода жидкости имеет недостаток - преобразователь работоспособен только с электропроводной жидкостью.
Задачей изобретения является значительное расширение областей применения шариковых первичных преобразователей расхода жидкости при сохранении всех метрологических и эксплуатационных преимуществ первичных преобразователей расхода электропроводных и прозрачных жидкостей за счет обеспечения работоспособности шарикового первичного преобразователя расхода жидкости с любыми жидкостями - электропроводными и неэлектропроводными, прозрачными и непрозрачными, причем, независимо от их температуры, давления, наличия примесей, степени опасности жидкости для окружающей среды и человека.
Технический результат - получение выходного частотно- или число-импульсного сигнала в виде импульсов напряжения или тока, не зависящих по амплитуде от вида, физико-химических параметров и свойств жидкости, и от величины расхода жидкости.
Поставленная задача решается и технический результат достигается за счет того, что в радио-шариковом первичном преобразователе расхода жидкости, состоящем из диэлектрического корпуса с кольцевым каналом, в котором свободно может вращаться шарик, выполненный из диэлектрического материала и имеющий нулевую плавучесть в жидкости, неподвижного струенаправляющего аппарата и узла формирования выходного электрического сигнала, согласно изобретению шарик выполнен пустотелым, во внутренней полости которого размещены индуктивность в виде нескольких пространственно расположенных витков электропровода и конденсатор, включенные последовательно и в кольцо, с резонансной частотой, равной частоте автоколебаний индуктивно-емкостного генератора с индуктивностью, расположенной достаточно близко к кольцевому каналу, чтобы вращающейся шарик попадал в зону наведенного этой индуктивностью электромагнитного поля без нарушения герметичности проточной части преобразователя расхода, напряжение на которой после детектирования амплитудным детектором является выходным электрическим сигналом.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами:
На фиг. 1 представлена конструкция гидромеханической части радио-шарикового первичного преобразователя расхода жидкости, служащей для преобразования линейного потока жидкости во вращательное движение шарика.
На фиг. 2 показана электрическая схема радиоэлектронной части радио-шарикового первичного преобразователя расхода жидкости, осуществляющей преобразование частоты вращения шарика в электрический сигнал.
LC
1
1
VD
VD
VD
VD
*
*
На фиг. 3 представлены отчасти идеализированные временные диаграммы: а - напряжения U(t) на LC-контуре, когда шарик находится внизу (на фиг. 1) кольцевого канала; б - напряжения U(t) на диоде VD1 при отключенном конденсаторе С4 и шарике, находящимся внизу кольцевого канала, и напряжения U(t), но при подключенном конденсаторе С4; в - напряжений U(t) и U(t) на диоде VD1 при вращающемся в кольцевом канале шарике соответственно с отключенным и подключенным конденсатором С4.
Гидромеханическая часть радио-шарикового первичного преобразователя расхода жидкости включает в себя (фиг. 1) корпус, состоящий из двух цилиндрических деталей 1 и 2 и изготовленный из диэлектрического материала (стекла, полистирола, поливинилхлорида и других пластмасс, композиционных материалов), катушку индуктивности 3, неподвижный струенаправляющий аппарат, состоящий из нескольких лопаток 4, ступицы 5 и установочного кольца 6, и шарик 7, изготовленный из любого диэлектрического материала.
Детали 1 и 2 корпуса преобразователя вместе с цилиндрической поверхностью ступицы 5 образуют кольцевой канал, в котором в закрученном потоке жидкости свободно может вращаться шарик 7.
Струенаправляющий аппарат устанавливается с натягом или ввинчивается в деталь 1 корпуса посредством установочного кольца 6.
Гидромеханическая часть радио-шарикового первичного преобразователя расхода жидкости может устанавливаться на трубопровод посредством двух фланцев 9 и 10, которые с помощью шпилек (болтов) зажимают между собой корпус преобразователя с кольцевыми прокладками 8. Фланцы 9 и 10 в состав преобразователя не входят.
Деталь 1 корпуса имеет паз, служащий для установки в него катушки индуктивности 3, ось симметрии которой должна пересекать траекторию вращения центра шарика.
ген
1
1
Катушка индуктивности тремя своими выводами А, В и С присоединяется к радиоэлектронной схеме, как это показано на фиг. 2. Представленная схема, если исключить из нее конденсатор С3 и диод VD1, представляет собой высокочастотный микромощный генератор синусоидальных колебаний. С достаточной степенью точности частота автоколебаний в схеме ƒ определяется резонансной частотой LC-контура:  В радиоэлектронике эта схема известна под названием индуктивной трехточки, в которой используется индуктивная положительная обратная связь.
VD
пит
В данном изобретении необходимо обеспечить микромощный режим работы генератора, чтобы он имел низкую нагрузочную способность, достаточную только для надежной передачи сигнала U, являющегося выходным сигналом радио-шарикового первичного преобразователя расхода жидкости в целом, через линию связи во вторичный преобразователь. Это достигается низким напряжением питания схемы (U=2,5÷3 В) и ограничением тока коллектора транзистора VT1 резистором R2.
1
1
Элементы схемы VD1 и конденсатор С4 (вместе с емкостью линии связи) образуют амплитудный детектор, выходным напряжением которого является напряжение постоянного тока, почти равное амплитуде высокочастотного напряжения на LC-контуре.
ш
ш
ш
ш
ш
1
1
ш
Нагрузкой генератора является помещенная во внутреннюю полость шарика индуктивно-емкостная, последовательная и короткозамкнутая цепь LC, где индуктивность L - индуктивность нескольких витков изолированного провода; С - емкость конденсатора, вычисленная по формуле С=LC/L, полученной из уравнения:
ш
ш
Равенство частоты автоколебаний генератора и резонансной частоты нагрузочного LС-контура достигается подстройкой конденсатора С1 (фиг. 2), выполняемой один раз после сборки гидромеханической части радиошарикового первичного преобразователя расхода жидкости.
Радиоэлектронная схема располагается в клеммной коробке радиошарикового первичного преобразователя расхода жидкости рядом с катушкой индуктивности 3.
Устройство работает следующим образом. Рассмотрим способ формирования выходного импульсного сигнала заявленного радиошарикового первичного преобразователя расхода жидкости на основе двух возможных состояний радиоэлектронной схемы, предоставленной на фиг. 2.
В заявленной конструкции радио-шарикового первичного преобразователя расхода жидкости возможны два состояния:
1
ш
ш
ген
VD
VD
ш
ш
1
1
VD
S
VD
*
*
Состояние 1: шарик находится в противоположной катушке индуктивности 3 (L на фиг. 2) части кольцевого канала, поэтому короткозамкнутый LC-контур, находящийся в шарике, не нагружает LC-генератор, на катоде детекторного диода VD1 при отключенном конденсаторе С4 действует пульсирующее напряжение положительной полярности частотой, заданной генераторам ƒ (выпрямленное синусоидальное напряжение генератора U на фиг. 3, б). Если присоединить конденсатор С4, то на катоде диода VD1 напряжение будет постоянным и равным амплитуде напряжения U. Таким образом, на выходе схемы на рис. 2, когда LС - нагрузка не нагружает LC-контур генератора, действует постоянное напряжение U, которое передается во вторичный преобразователь и является для него входным сигналом U=U.
ш
ш
1
1
ш
ш
Состояние 2: шарик находится под катушкой индуктивности 3 LC-генератора, тогда короткозамкнутый LС-контур, находящийся внутри шарика, будет нагружать LC-генератор и напряжение на LC - контуре снизится или даже исчезнет, если для микромощного генератора короткозамкнутый LС-контур в резонансе с частотой генератора будет являться чрезмерной нагрузкой.
Следует отметить, что эффект сильного влияния внешнего LC - контура на режим работы LC - генератора, когда внешний LC - контур находится в резонансе с LC - контуром генератора, известен в радиоэлектронике и называется гетеродинным резонансом.
ш
ш
1
1
При вращении шарика находящаяся внутри него резонансная нагрузка LС будет приближаться к LC - контуру генератора с частотой вращения шарика F и, следовательно, с такой же частотой будет изменяться выходное напряжение амплитудного детектора VD1, С4 и радио-шарикового первичного преобразователя расхода жидкости в целом, как это показано на фиг. 3, в.
Итак, заявленное изобретение позволяет значительно расширить области практического использования шариковых первичных преобразователей расхода жидкости за счет работоспособности радио-шарикового первичного преобразователя расхода жидкости с любыми жидкостями, независимо от их физико-химических параметров и свойств, при сохранении всех метрологических и эксплуатационных преимуществ шариковых преобразователей расхода. Более того, радио-шариковый первичный преобразователь расхода жидкости может использоваться для расходометрии огне- и взрывоопасных жидкостей, так как он не имеет электродов, электрически контактирующих с жидкостью, в отличие от электромагнитных и шариковых преобразователей расхода электропроводных жидкостей.
Кроме того, заявленное изобретение выдает на выходе частотно- или число-импульсный сигнал в виде импульсов напряжения или тока, не зависящих по амплитуде от вида, физико-химических параметров и свойств жидкости, и от величины расхода жидкости.