Шариковый расходомер прозрачных сред

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения объемного расхода прозрачных сред.
Первичная классификация шариковых расходомеров предложена в справочнике - Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества: справочник. - 4-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отделение, 1989. - 701 с.
Первую группу составляют расходомеры с винтовым направляющим аппаратом. Поток, закрученный в последнем, приводит в движение ферромагнитный шарик по окружности трубы. Частота вращения шарика по кругу преобразуется в электрический сигнал индуктивным или индукционным преобразователем. Ограничительное кольцо удерживает шарик от перемещения вдоль оси трубы. Для выпрямления потока на выходе служат неподвижные лопатки.
Вторая группа содержит раскрытую кольцевую полость и использует тангенциальный подвод измеряемой среды. Во всех случаях шарик под действием центробежной силы поджимается к внутренней поверхности трубы или камеры.
Развитие шариковых расходомеров следует за возрастающими требованиями по эксплуатационным свойствам изделия. К ним относятся -точность измерения, трудозатраты на операцию измерения и обработку информации, цена, которая отражает сложность и технологичность конструкции.
Известен шариковый преобразователь расхода (патент RU 2253843 С1, опубл. 10.06.2005), содержащий корпус, ограничительную втулку с элементами, создающими вращение потока вокруг продольной оси преобразователя, раскрытую кольцевую полость, ограниченную внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью ограничительной втулки, размещенный в кольцевой полости шар, преобразователь скорости вращения шара в электрический выходной сигнал. С целью стабилизации вращения вихревого потока образующая внутренней поверхности корпуса представляет собой кривую переменной кривизны, корпус преобразователя со стороны раскрытия полости с размещенным в ней шаром имеет кольцевое углубление. Для улучшения циркуляции потока в поперечном сечении кольцевой полости, проходящем через продольную ось преобразователя, на наружной поверхности ограничительной втулки выполнен ряд впадин и выступов.
Известен шариковый преобразователь расхода (патент RU 2472115 С1, опубл. 10.01.2013), содержащий корпус, в котором установлена втулка с лопастями, создающими вращение потока измеряемой среды вокруг его продольной оси. Внутренняя поверхность корпуса и наружная поверхность втулки образуют кольцевую полость, в которой размещен шар. С внешней стороны корпуса установлен преобразователь скорости вращения шара в электрический сигнал. Во втулке выполнены открытые со стороны кольцевой полости каналы, соединяющие входной участок преобразователя расхода с раскрытой кольцевой полостью. Дорожка качения выполнена в виде кольца-прокладки между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью ограничительной втулки.
Известен шариковый первичный преобразователь расхода электропроводной жидкости (патент RU 2471154 С1, опубл. 27.12.2012), который состоит из цилиндрического корпуса с кольцевым каналом, в котором свободно может вращаться шарик, неподвижного струенаправляющего аппарата и узла съема электрического сигнала. Причем шарик выполнен из диэлектрического материала с нулевой плавучестью в жидкости. В области кольцевого канала, перпендикулярно траектории вращения шарика, через проходные изоляторы и заподлицо с поверхностью кольцевого канала расположены два электрода. Выходной сигнал формируется за счет измерения электропроводности промежутка между электродами при перемещении шарика.
Рассмотренным выше изделиям-аналогам свойственен общий недостаток - низкие эксплуатационные свойства, прежде всего, за счет конструктивной сложности и не технологичности направляющего аппарата. Преобразователи движения шарика в электрический сигнал предполагает низкую крутизну фронтов импульса, что ограничивает точность измерения.
В качестве прототипа принят шариковый электронно-оптический первичный преобразователь расхода прозрачных жидкостей (патент RU 2548055 С1 МПК G01F 1/06, опубл. 10.04.2015, Бюл. №10).
Это изделие содержит оптически прозрачный корпус, выполненный из двух полукорпусов, в котором имеются каналы (входной и выходной) подвода измеряемой среды диаметром d. Внешняя поверхность каналов функционально образует монтажные патрубки.
В средней части корпуса установлен неподвижный струенаправляющий аппарат и образован раскрытый кольцевой канал диаметром D, в котором размещен шарик с возможностью свободного вращения. При этом шарик имеет нулевую плавучесть в измеряемой среде (жидкости).
Имеется оптоэлектронный узел съема параметров движения шарика. Функционально этот узел можно разделить на два блока: первичный преобразователь в виде оптической пары светоизлучатель-фотоприемник и формирователь сигнала оптопары. Оптический луч оптопары пересекает траекторию движения шарика, в момент прохождения шарика возникает электрический импульс. Далее этот импульс посредством формирователя на биполярном транзисторе доводится до формы, близкий к прямоугольной. Заметим, что крутизна фронтов получаемого импульса сравнительно мала даже в случае транзистора с большим коэффициентом усиления β, что приводит к погрешностям при последующей обработке сигнала. Большую крутизну фронтов дают релаксаторы, например, триггер Шмидта.
Рассмотренному изделию свойствены те же недостатки, что и аналогам - низкие эксплуатационные свойства, которые вытекают из принятой схемы измерения. Имеются особые требования к материалу корпуса и параметрам шарика.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение эксплуатационных свойств расходомера.
Решаются задачи:
1. Разработка простой схемы измерения объемного расхода жидкостей или газов.
2. Разработка основных конструктивных решений.
3. Обоснование принимаемых решений.
Указанный выше технический результат достигается тем, что шариковый расходомер прозрачных сред, содержащий корпус, в котором образован кольцевой канал, гидравлически связанные с ним каналы подвода измеряемой среды, снабженные монтажными патрубками, шарик, размещенный в кольцевом канале с возможностью свободного движения, оптоэлектронный узел съема параметров движения шарика, содержащий последовательно включенные оптическую пару светоизлучатель-фотоприемник, оптический луч которой пересекает траекторию движения шарика, и формирователь сигнала оптической пары, снабжен электронным блоком, подключенным к выходу оптоэлектронного узла съема параметров движения шарика, в составе устройства подготовки и вычислителя с индикатором, при этом кольцевой канал выполнен закрытым, каналы подвода измеряемой среды сопряжены с концевым каналом тангенциально и снабжены установленными по осевой линии струевыпрямляющими лопатками, а оптоэлектронный узел съема параметров движения шарика выполнен дуплексированным, его оптические пары размещены в зоне диаметральных точек траектории движения шарика на общей осевой линии, проходящей между каналами подвода измеряемой среды, а также тем, что устройство подготовки содержит RS-триггер, два конъюнктора и генератор опорной частоты, при этом первый вход первого конъюнктора соединен с выходом первого формирователя оптического узла съема параметров движения шарика и с входом установки RS-триггера, первый вход второго конъюнктора соединен с выходом второго формирователя оптического узла съема параметров движения шарика и с входом сброса RS-триггера, вторые входы обоих конъюнкторов связаны с выходом генератора опорной частоты, третьи входы конъюнкторов подключены к единичному выходу RS-триггера, при этом выходы конъюнкторов и RS-триггера являются входами вычислителя.
Устройство предлагаемого расходомера поясняется чертежами:
Фиг. 1. Конструктивная схема гидравлического блока;
Фиг. 2. Разрез А-А по фиг.1;
Фиг. 3. Разрез Б-Б по фиг.1;
Фиг. 4. Расчетная схема;
Фиг. 5. Функциональная схема;
Фиг. 6. Эпюры напряжений
Принятые обозначения
1. Нижний полукорпус
2. Верхний полу корпус
3. Винты корпуса
4. Базирующие штифты корпуса
5. Кольцевой канал
6. Шарик
7. Каналы подвода измеряемой среды
8. Струевыпрямляющие лопатки входных каналов
9. Базирующие штифты лопаток 7
10. Монтажные патрубки входных каналов
11, 12. Светоизлучатели
13, 14. Фотоприемники
15, 16. Электрические разъемы
17. Винты крепления электрических разъемов
18. Сквозное отверстие корпуса для установки электрических разъемов
19. Монтажные провода
20. Пазы в полукорпусах 1, 2 для укладки монтажных проводов
21, 22. Формировали сигналов оптопар
23. Вычислитель с индикатором результата
24. Устройство подготовки
25. RS-триггер
26, 27. Конъюнкторы
28. Генератор опорной частоты
Конструктивно шариковых расходомер прозрачных сред (далее расходомер) выполнен из двух блоков - гидравлического блока и электронного блока, которые соединены между собой электрическим кабелем, имеющим двойной разъем со стороны гидравлического блока и одинарный со стороны электронного блока.
Корпус гидравлического блока составлен из двух полукорпусов - нижнего 1 и верхнего 2 (ориентация чертежа), которые соединены винтами 3 и имеют базирующие штифты 4. По плоскости стыка в корпусе образован закрытый кольцевой канал 5 постоянного круглого сечения диаметром D. В кольцевой канал помещен шарик 6 с возможностью свободного движения, т.е. с малым зазором. Каналы подвода измеряемой среды 7 имеют цилиндрическую форму сечением равным сечению кольцевого канала и расположены тангенциально по отношению к последнему. Под действием измеряемой среды шарик будет перемещаться по кольцевому каналу, совершая хаотичное вращательное вращение относительно собственной оси. Это вращение зависит от турбулентности потока измеряемой среды и влияет на частоту касания шариком стенок кольцевого канала. Данный эффект влияет на износ шарика и кольцевого канала. Для снижения турбулентности потока измеряемой среды во входных каналах по их осевым линиям установлены струевыпрямляющие лопатки 8, которые фиксируются штифтами 9. Соединение входных каналов гидравлического блока с магистралями подвода и отвода измеряемой среды осуществляется с помощью монтажных патрубков 10.
В гидравлическом блоке установлены элементы оптоэлектронного узла схема параметров движения шарика. Имеются две оптические пары светоизлучатель-фотоприемник. На фиг.1 и фиг.2 светоизлучатели 11,12 и фотоприемники 13,14 показаны условно в виде однотипных корпусных деталей. Для присоединения соединительного кабеля предусмотрены два электрических разъема 15,16 (например, типа ШР), которые крепятся к полукорпусам 1,2 с помощью винтов 17. Внутренние части разъемов размещены в сквозном отверстии 18 корпуса сравнительно большего диаметра. Монтажные провода 19, соединяющие оптопары и разъемы, уложены в пазах 20. На фиг.1 монтажные провода условно не показаны.
Предлагаемая конструкция позволяет отдельно изготавливать сборочные единицы светоизлучатель и фотоприемник с подпаянными монтажными проводами. Затем эти сборочные единицы крепятся в полукорпусах, после чего концы монтажных проводов подпаиваются к электрическим разъемам. Далее одновременно с укладкой монтажных проводов в пазы 20 осуществляют крепление винтами 17 электрических разъемов. Операция укладки монтажных проводов в пазы упрощается за счет того, что имеется возможность припуск длины проводов разместить в виде петли в отверстии 18 корпуса. При необходимости монтажные провода 19 могут быть закреплены в пазах 20 посредством компаунда. В зависимости от условий использования расходомера (в виде автономного прибора или в составе комплексного агрегата) внешние поверхности могут снабжаться защитными кожухами.
Рассмотрим принцип измерения расхода с применением изложенной конструкции гидравлического блока. Воспользуемся методом моделей (Шарыгин Л.Н. Проектирование конкурентоспособных технических изделий: учебник. - Владимир: ВИТ-принт, 2013. - 290 с. ISBN 975-5-905894-48-0).
Физическая модель гидравлической системы представлена на фиг.4. В эту модель входят - кольцевой канал 5, каналы подвода измеряемой среды 7. Выше было отмечено, что шарик 6 размещен в кольцевом канале с небольшим зазором, значит гидравлическое сопротивление зазора велико, поэтому можно принять, что шарик смещается синхронно с потоком измеряемой среды. Поскольку рассматриваемая гидравлическая система симметрична, произвольно выбираем один подходящий канал входным (верхний по фиг.4), другой - выходным. Оптические пары оптоэлектронного узла съема параметров движения шарика расположены в точках О и К на осевой линии n-n, проходящей между каналами подвода.
Поток измеряемой среды входит во входной канал, проходит по кольцевому каналу и выходит из выходного канала. В соответствии с соотношениями гидравлических сопротивлений часть потока закольцовывается. Таким образом, в точке К физической модели присутствует только кольцевой поток, а в точке О суммарный - сумма проходного и кольцевого потоков.
2
0
Перейдем к математической модели. Расход измеряемой среды в точке О есть произведение сечения πD/4 на перемещение D, отнесенное к времени t.
где D - диаметр шарика.
Аналогично для точки К:
Проходной поток составит:
o
к
Если поток измеряемой среды не является стационарным, то одновременно будут измеряться интервалы времени (длительности импульсов) t и t.
Обратимся к электронному блоку. Для наглядности на фиг.5 изображены фотоприемники 13, 14 оптических пар и формирователи 21, 22 сигнала оптопар оптоэлектронного узла съема параметров движения шарика. В целом электронный блок выполнен на типовых элементах электроники. Основу электронного блока составляет вычислитель с индикатором результата 23. Вычислитель реализует зависимость (3), а предварительно в его ячейку памяти записывается константа прибора С:
Управляющими сигналами для работы вычислителя являются выходные сигналы устройства подготовки 24. Устройство подготовки построено на базе RS-триггера 25, двух конъюнкторов 26, 27 и генератора опорной частоты 28. На фиг.6 приведены эпюры напряжений на выходах элементов функциональной системы:
21
U - формирователя 21;
22
U - формирователя 22;
- единичного выхода триггера 25;
23
23
- инверсного выхода триггера 25, а также условно показаны интервалы вычисления В и индикации И.
1
0
0
2
1
Работает электронный блок следующим образом. Исходное состояние триггера 25 устанавливается обычным образом фронтом электропитания блока. В момент времени t на выходе формирователя 21 появляется прямоугольный импульс длительностью t, который поступает на первый вход конъюнктора 26, одновременно фронтом этого импульса триггер 25 устанавливается в единичное состояние. Единичный потенциал триггера поступает на второй вход конъюнктора 26 и первый вход конъюнктора 27. Конъюнктор 26 подготовлен к прохождению импульсов генератора 28 через третий вход. Количество импульсов на выходе t = t - t будет записано в первый входной регистр вычислителя 23.
3
к
4
к
4
3
к
В момент времени t появляется прямоугольный импульс t на выходе формирователя 22, который поступает на второй вход конъюнктора 27, а срезом этого импульса (момент времени t) опрокидывается в исходное состояние триггер 25. В интервале t = t - t происходит запись кода длительности t во второй входной регистр вычислителя.
4
5
5
6
В момент времени t потенциалом инверсного выхода триггера вычислитель со своей тактовой частотой начинает вычисление расхода по формуле (3). Окончание вычисления заканчивается в момент времени t. В интервале t - t значение расхода измеряемой среды будет отражаться на индикаторе прибора.
Таким образом, если расходомер используется для измерения расхода стационарных потоков, то постоянного значение расхода на индикаторе будет мерцать с частотой работы триггера 25. В случае измерения расхода нестационарных потоков расходомер следует дополнить регистратором результата вычислителя.
Пользуются шариковым расходомером прозрачных сред следующим образом. С помощью монтажных патрубков подключают гидравлический блок к магистральным трубопроводам. Соединяют гидравлический и электронный блоки электрическим кабелем. Включают электропитание на электронном блоке. Расходомер готов к использованию. При появлении расхода измеряемой среды шарик начнет движение в кольцевом канале. Оптические пары вырабатывают электрические импульсы, которые доводятся до прямоугольной формы. Длительность этих импульсов кодируется, затем вычислителем доводится до цифрового значения расхода, который отражается на индикаторе.
Таким образом, предлагаемый шариковый расходомер прозрачных сред обладает высокими эксплуатационными свойствами, которые обусловлены низкой себестоимостью за счет простой и технологичной конструкции. Электронный блок выполнен на типовых элементах электроники. За счет симметричности гидравлического блока исключены ошибки при монтаже. Обслуживание расходомера не требует повышенной квалификации оператора.