Шариковый расходомер электропроводной жидкости
BALL FLOW METER FOR ELECTRICALLY CONDUCTIVE LIQUID

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в расходометрии электропроводных жидкостей в химической, пищевой и фармацевтической промышленности, в жилищно-коммунальном хозяйстве, тепло- и электроэнергетике, в счетчиках количества теплоты с водяной системой теплоснабжения.
Особенно перспективно использование заявленного шарикового расходомера электропроводной жидкости (далее ШРЭЖ) при необходимости регистрации предельно малых расходов жидкости и в очень широком динамическом диапазоне измерения, когда известные электромагнитные, турбинные, вихревые или кориолисовые расходомеры использоваться не могут.
Все известные конструкции шариковых расходомеров объединяет, во-первых, использование тангенциального или винтового потоконаправляющего аппарата и шара, изготовленного из ферромагнитного материала либо диэлектрика, имеющего возможность вращаться в кольцевом канале, во-вторых, применение того или иного способа преобразования угловой скорости вращения шара в частоту выходного импульсного напряжения.
Технические и эксплуатационные характеристики шариковых расходомеров должны соответствовать «Общим техническим условиям» [Расходомеры тахометрические шариковые ГСП, ГОСТ 14012-76, издательство стандартов, 1984 г.].
Известны шариковые первичные преобразователи 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, 1989-701 с.].
Известен шариковый преобразователь расхода [патент RU 2253843 C1, МПК G01F 1/06, опубл. 10.06.2005 г.], состоящий из корпуса 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 [а.с. SU 1591618 A1, МПК 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 ограничивающий 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 съёма 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 шариковый расходомер [а.с. SU1117448 А, МПК G01F1/06, опубл. 07.10.1984 г.], содержащий измерительный участок трубопровода с размещённым в нём первичным преобразователем, состоящим из цилиндрического корпуса с кольцевым каналом, струенаправляющего аппарата, струевыпрямителя и шарика, сужающего устройства, установленного соосно перед первичным преобразователем и каналом для перепуска для части потока, а также узел съема электрического сигнала.
Во всех конструкциях вышеперечисленных шариковых преобразователей расхода жидкости в импульсный электрический выходной сигнал имеются недостатки, обусловленные использованием ферромагнитного шарика и магнитоиндукционного датчика:
- 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;
- при горизонтальном положении преобразователя, поскольку ферромагнитный шарик относительно веса вытесненной жидкости тяжёлый, то есть обладает отрицательной плавучестью, наблюдается непостоянство скорости вращения шарика в пределах одного оборота, которое нарастает при уменьшении скорости вращения, что в итоге ещё больше искажает статическую характеристику первичного преобразователя;
- очень сильная зависимость выходного сигнала магнитоиндукционного датчика от частоты вращения шарика;
- использование тяжёлого ферромагнитного шарика и применение магнитоиндукционного способа формирования выходного импульсного сигнала резко снижает динамический диапазон измерения расхода жидкости  и увеличивает погрешность измерения расхода жидкости . В частности, серийно выпускаемые шариковые первичные преобразователи «Шторм-8А» и «Шторм-32М», внесённые в Государственный реестр средств измерений под №5706-08, имеют узкий рабочий диапазон (4÷6) и большую погрешность измерения (1,5-2,5%), согласно ТУ 4213-865-00225555-2007.
Известен электронно-оптический шариковый первичный преобразователь расхода жидкости [патент RU 2548055 С1, МПК 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, причём для формирования выходного электрического (частотного или число-импульсного) сигнала используется светоизлучатель и фотоприёмник, связанные между собой прямой оптической и обратной положительной электронными связями. Но этот тип шарикового первичного преобразователя расхода жидкости пригоден для измерения расхода только прозрачных жидкостей.
Известен радио-шариковый первичный преобразователь расхода жидкости [патент RU 2685798 С1, МПК G01F 1/05, опубл. 23.04.2019 г.], отличающийся тем, что 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-ёмкостного генератора с индуктивностью, расположенной близко к кольцевому каналу, напряжение на которой после детектирования амплитудным детектором является выходным электрическим сигналом.
Известен шариковый первичный преобразователь расхода электропроводной жидкости [патент RU №2471154 С1, МПК G01F 1/05, 27.12.2012 г.], состоящий из цилиндрического корпуса с кольцевым каналом, в котором свободно может вращаться шарик, неподвижного струенаправляющего аппарата и узла съёма 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 низких расходах жидкости и в горизонтальном положении корпуса. Но в этой конструкции преобразователя не учитывается влияние угловой скорости вращения жидкости в кольцевом канале на подвижность положительных и отрицательных ионов жидкости, что снижает динамический диапазон измерения и увеличивает погрешность преобразования расхода жидкости в выходной сигнал.
Известен шариковый первичный преобразователь расхода электропроводной жидкости [патент RU 2566428 С1, МПК G01F 1/06, опубл. 27.10.2015 г., бюл. №30], состоящий из корпуса, выполненного из диалектического 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 неинвертирующим входами того же операционного 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.
Наиболее близким по конструкции и достигаемому техническому результату является шариковый расходомер электропроводной жидкости [патент RU 2762946 С1, МПК G01F 1/05, опубл. 24.12.2021 г., бюл. №36], состоящий из цилиндрического корпуса, соосно установленного в него винтообразного струенаправляющего аппарата с ступицей, кольцевого канала между ступицей и внутренней поверхностью корпуса, шара, который может вращаться в кольцевом канале, выполненного из диэлектрического материала и имеющего нулевую плавучесть в жидкости, четырех электродов, установленных в вершинах квадрата, два из которых, находящихся вдоль направления движения жидкости с шаром, соединены с общей шиной схемы, два других электрода присоединены к инвертирующему и неинвертирующему входам однопорогового компаратора.
В этой конструкции расходомера при больших расходах жидкости и, следовательно, больших скоростях движения шара относительно электродов достигается подавление влияния изменения подвижности ионов электропроводной жидкости на выбранный режим работы электронной схемы. Этот эффект позволяет увеличить динамический диапазон измерения расхода жидкости и уменьшить погрешность преобразования расхода жидкости в импульсный выходной сигнал.
Недостатком данного расходомера является невозможность сохранения его работоспособности при предельно низких расходах жидкости, при которых частота вращения шара в кольцевом канале не превышает единицы Герц. Например, при частоте вращения шара 1 Гц компаратор (или операционный усилитель, функционирующий как компаратор входных синфазных напряжений) будет продолжительное время находиться в линейном режиме работы, что свидетельствует, во первых, о неимпульсной форме выходного напряжения расходомера, во-вторых, о чувствительности электронной части расходомера к электрическим и электромагнитным помехам, так как во входных цепях компаратора находятся высокоомные сопротивления жидкости. В реальных условиях эксплуатации шариковых расходомеров основным источником электрических и электромагнитных помех является силовая электрическая сеть 220 (380) В, 50 Гц, выходное напряжение будет представлять собой непрерывный поток квазиимпульсного напряжения с частотой 50 Гц. Выбор компаратора (или операционного усилителя) с очень большим коэффициентом усиления по напряжению с целью уменьшения длительности фронтов выходного напряжения приводит к еще большей помеховосприимчивости электронной части расходомера.
Задачей изобретения является расширение областей использования шариковых расходомеров электропроводных жидкостей.
Технический результат - предельно широкий динамический диапазон измерения, обеспечение работоспособности расходомера при очень низких расходах жидкости с гарантированным подавлением влияния электрических и электромагнитных помех, высокая прямоугольность импульсного выходного напряжения, снижение вероятности возникновения электрохимических процессов в расходомере, два функционально идентичных выхода схемы с очень низким выходным сопротивлением, возможность использования дифференциального выходного сигнала, предельно низкие напряжения между электродами.
Поставленная задача и технический результат достигаются в шариковом расходомере электропроводной жидкости, состоящим из цилиндрического корпуса, винтообразного потоконаправляющего аппарата, шара с нулевой плавучестью в жидкости, изготовленных из диэлектрического материала, четырех электродов, электронная схема которого в отличии от прототипа содержит два операционных усилителя, на которых реализованы два инвертирующих алгебраических сумматора напряжения, входы которых соединены с источником опорного напряжения и выходом смежного сумматора.
Сущность изобретения поясняется чертежами: на Фиг. 1 представлена электронная схема расходомера, на Фиг. 2 показана конструкция гидромеханической части шарикового расходомера электропроводной жидкости.
Электронная схема ШРЭЖ состоит из операционных усилителей (далее - ОУ)  и , четырех постоянных сопротивлений , ,  и , сопротивлений электропроводной жидкости  и  между электродами соответственно ,  и , , возникающими при эксплуатации расходомера, источника опорного напряжения . Электропитание схемы обеспечивается двумя источниками напряжения постоянного тока .
Электроды (Фиг. 2) , ,  и  расположены заподлицо с внутренней поверхностью кольцевого канала, расположенного между корпусом расходомера 1 и ступицей 3. Винтообразный струенаправляющий аппарат 2 преобразует линейный поток жидкости во вращающийся поток, который приводит во вращение шар 4, имеющий нулевую плавучесть в жидкости и изготовленный из диэлектрического материала.
Шар 4, перемещаясь между электродами  и  с частотой, пропорциональной расходу жидкости, с такой же частотой изменяет сопротивления жидкости  или . Если шар 4 в данный момент времени находится между электродами  или , то электрическое сопротивление жидкости  или  становится больше: соответственно  или , где  - безразмерный коэффициент относительного изменения сопротивления жидкости,  - электрическое сопротивление жидкости между электродами  и , когда между ними нет неэлектропроводного шара.
Таким образом, вращающийся в кольцевом канала ШРЭЖ шар 4 осуществляет модуляцию сопротивлений  и  с коэффициентом модуляции  и частотой, пропорциональной величине расхода жидкости. Когда , то , если , то .
Из схемы на Фиг. 1 видно, что на ОУ  и  реализованы два алгебраических инвертирующих сумматора напряжений с резисторами отрицательных обратных связей соответственно  и . Сумматор на ОУ  выполняет суммирование опорного напряжения  и выходного напряжения ОУ , сумматор на ОУ  осуществляет суммирование также опорного напряжения  и выходного напряжения, в результате чего в схеме действует положительная обратная связь.
Положительная обратная связь обеспечивает очень высокую скорость изменения выходных напряжений  и  ОУ  и , ограничиваемую параметром выбранного типа ОУ - скоростью нарастания выходного напряжения [В/сек].
При анализе процесса формирования выходного напряжения ШРЭЖ с целью получения удобных и наглядных математических функций и соотношений необходимо идеализировать ОУ  и , то есть пренебречь такими их параметрами, как входной ток, разность входных токов, приведенное к входу напряжение смещения, их дрейф по температуре и некоторыми эксплуатационными ограничениями (максимально допустимые входные дифференциальное и синфазное напряжения, максимально допустимый выходной ток, скорость изменения выходного напряжения).
Выходные напряжения инвертирующих алгебраических сумматоров, взаимно включенных последовательно, определяются соотношениями:
При реализации схемы на Фиг. 1 необходимо принять равенства сопротивлений резисторов:  и . Тогда, рассматривая соотношения (1) и (2) как систему двух линейных уравнений с неизвестными и  можно вычислить выходные напряжения ОУ  и :
При известных сопротивлении жидкости  между электродами  и , если шар находится за пределами зоны этих электродов, коэффициенте относительного измерения сопротивления жидкости , если шар в данный момент времени располагается между электродами  и , функции преобразования (3) и (4) примут вид:
когда шар находится между электродами ;
если шар находится между электродами .
В начальном состоянии ШРЭЖ, когда шар в данный момент времени находится на максимальном удалении от зоны электродов , ,  и  и , , выходные напряжения и  ОУ  и  в соответствии с (3) и (4) одинаковы:
Из формул (3), (4), (5) и (6) следует два очень важных вывода:
Во-первых, сопротивления резисторов  и  не должны быть одинаковыми (), так как при их равенстве ОУ  и  окажутся в неактивном режиме работы (за пределами линейной зоны своей статической характеристики, где - коэффициент усиления по напряжению входного дифференциального напряжения ) и схема на Фиг. 1 не будет реагировать на изменения сопротивлений жидкости и  при вращении шара в кольцевом канале, на выходах ОУ  и  установятся максимально возможные напряжения  и  или  и , зависящие от типа интегрального ОУ и величины напряжений электропитания и .
Во-вторых, из функций преобразования сопротивлений жидкости  и  в электрические напряжения и следует, что они по величине и полярности сильно зависят от величины и соотношения сопротивлений и  и опорного напряжения .
Выходным напряжением ШРЭЖ можно принять напряжение или . В схеме на Фиг. 1 выходным напряжением ШРЭЖ принято выходное напряжение ОУ
Выходное напряжение  ОУ  характеризуется выражениями (6) и (7), но сдвинуто по фазе относительно выходного напряжения  ОУ  на угол, который определяется угловым расстоянием между электродами  или .
Рассмотрим пример расчёта ожидаемого режима работы ШРЭЖ и выбора сопротивлений резисторов  и  при известных сопротивлении жидкости , коэффициенте относительного изменения этого сопротивления  и неограниченных по величине напряжений питания  и . Пусть , , выбираем  и  из стандартных рядов E48 и E24 соответственно. Амплитудная величина выходного напряжения ШРЭЖ согласно формуле (5) . Выходное напряжение, когда шар находится на максимальном удалении от зоны электродов, . Если опорное напряжение , то  и . Если требуется однополярное, положительное выходное импульсное напряжение , то последовательно с выходом ОУ  необходимо включить в прямом направлении импульсный или маломощный выпрямительный диод. Для ограничения амплитуды выходного напряжения ШРЭЖ достаточно установить напряжения питания схемы  и  величиной , где  - падение напряжения на прямосмещенном диоде (примерно 0.5 В).
На Фиг. 3 представлена временная диаграмма выходного напряжения ШРЭЖ без ограничения по величине напряжений питания  и  (пунктирная линия) и при напряжении питания  и с последовательно включённым диодом, иллюстрирующие выше рассмотренный пример расчета.
В процессе подготовки ШРЭЖ к серийному производству рекомендуется сопротивлениями  и , при известных сопротивлении жидкости  и коэффициенте его относительного изменения , установить амплитуду  согласно формуле (5) значительно большую, чем напряжение электропитания . Это обеспечивает высокую (требуемую по техническим условиям на ШРЭЖ) прямоугольность выходного импульсного напряжения и его независимость от электропроводности жидкости (сопротивления ) и коэффициента .
Более того, значительным техническим достижением изобретения являются низкие и не меняющиеся при вращении шара в кольцевом канале электрические напряжения на электродах ШРЭЖ. Напряжения на электродах  и  всегда практически равны нулю, так как интегральные ОУ  и  имеют очень большой коэффициент усиления по напряжению, включены в инвертирующие схемы с отрицательными обратными связями, их неинвертирующие входы присоединены к общей шине электропитания (, ). Напряжения на электродах и  присоединены к источнику опорного напряжения , не превышающему, как было показано в выше рассмотренном примере, сотые доли Вольта. В прототипе на электродах, присоединенных ко входам компаратора, для оптимального режима работы схемы требуются напряжения на уровне половины напряжения электропитания схемы.
Очень низкие и неизменные напряжения на электродах предложенного ШРЭЖ свидетельствуют о низкой вероятности возникновения нежелательных электрохимических реакций на электродах.
Если в системе автоматического управления каким-либо технологическим процессом требуется дифференциальное выходное напряжение, то им может являться разность выходных напряжений ОУ  и : . Вычитая (6) из (5), получим формулу:
Если принять такие же значения , , , , как в выше рассмотренном примере, то . Желаемая величина и полярность выходного дифференциального напряжения устанавливается опорным напряжением .
Итак, в заявленном шариковом расходомере электропроводной жидкости достигаются высокая защищенность от воздействия электрических и электромагнитных помех, прежде всего при предельно низких расходах жидкости, высокая крутизна фронтов выходного импульсного напряжения и очень низкое выходное сопротивление, снижение вероятности возникновения электрохимических процессов на электродах расходомера, в целом, увеличение динамического диапазона, снижение погрешности преобразования расхода жидкости в выходное импульсное напряжение, а также увеличение эксплуатационного ресурса прибора, что реализуется за счет включения в электрическую схему двух операционных усилителей, на которых реализованы два инвертирующих алгебраических сумматора, выполняющие сложение опорного напряжения с выходным напряжением смежного сумматора.