ШАРИКОВЫЙ ПЕРВИЧНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ РАСХОДА ЭЛЕКТРОПРОВОДНОЙ ЖИДКОСТИ
BALL-TYPE PRIMARY TRANSDUCER OF FLOW OF ELECTROCONDUCTIVE LIQUID

Изобретение относится к измерительной технике и приборостроению, в частности к области расходометрии жидкости.
Известны многочисленные варианты конструкций шариковых первичных преобразователей расхода жидкости в электрический сигнал, выделяющихся среди других типов тахометрических расходомеров жидкости значительными преимуществами, которые обуславливают их предпочтительность при измерении расхода воды и агрессивных жидкостей (Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник. - 4-е изд. Л.: Машиностроение. 1989. - 701 с.). Особенно перспективными шариковые расходомеры следует считать при измерении количества и расхода воды в жилищно-коммунальном хозяйстве, в химическом и нефтехимическом производствах при расходометрии кислот, щелочей, растворов солей и других электропроводящих жидкостей, поскольку благодаря исключительно простой конструкции обладают большим ресурсом эксплуатации и невысокой себестоимостью по сравнению с другими тахометрическими расходомерами.
Известен шариковый преобразователь расхода [а.с. РФ 2253843 С1, кл. G01F 1/06, 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 плоскости, проходящем через продольную ось преобразователя, на наружной поверхности ограничительной втулки выполнен ряд впадин и выступов.
Известен также шариковый расходомер [а.с. СССР №1591618 А1, кл. G01F 1/06, G01F 1/10, опубл. 27.05.1998], содержащий корпус с входным и выходным патрубками, расположенные внутри корпуса коаксиально стержень-вытеснитель и ограничительный кольцевой элемент с чувствительным элементом-шаром, размещенным в его непроточной полости, сообщенной с проточной частью корпуса кольцевой щелью, образованной ограничительным кольцевым элементом и стержнем-вытеснителем, а также струенаправляющее устройство и узел съема сигнала. С целью повышения надежности и расширения области применения струенаправляющее устройство выполнено заодно с ограничительным кольцевым элементом в виде тангенциальных каналов в кольцевом выступе, расположенном со стороны проточной части корпуса, в которой размещена осесимметричная оболочка, расположенная вокруг стержня-вытеснителя, присоединенная торцом к торцу кольцевого выступа и образующая с корпусом кольцевую полость, сообщенную с входным и выходным патрубками, второй торец осесимметричной оболочки расположен между патрубками и ориентирован в сторону выходного патрубка, а проходное сечение канала, сообщающего патрубки, меньше проходного сечения входного патрубка, но превышает проходное сечение одного тангенциального канала более чем в 100/б раз, где б(%) - допустимое значение основной погрешности.
Известен реверсивный датчик скоростного расходомера со свободноплавающим телом [а.с. СССР №169814, кл. G01f, опубл. 17.03.1965] - шаром, положение которого в рабочей полости фиксируется ограничительными кольцами. С целью уменьшения потерь напора, обеспечения возможности измерения потоков с твердыми включениями и облегчения установки различных систем съема сигнала, корпус датчика выполнен 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.
Наиболее близким к предлагаемому преобразователю является шариковый расходомер [а.с. СССР №1117448 А, кл. G01F 1/06, опубл. 07.10.1984], содержащий измерительный участок трубопровода с размещенным в нем первичным преобразователем, состоящим из цилиндрического корпуса с кольцевым каналом, струенаправляющего аппарата, струевыпрямителя и шарика, сужающим устройством, установленным соосно перед первичным преобразователем и каналом для перепуска части потока, а также узлом 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.
Все известные и представленные выше шариковые преобразователи расхода жидкостей имеют следующие недостатки, обусловленные использованием магнитоиндукционного способа преобразования угловой скорости вращения ферромагнитного шарика в частоту следования выходных импульсов:
1. При прохождении ферромагнитного шарика рядом с магнитопроводом магнитоиндукционного датчика (МИД) происходит его примагничивание (притягивание) и при относительно 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.
Неплавучесть 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.
3. Выходной сигнал МИД сильно зависит от скорости вращения шарика (скорости пробегания шарика под магнитопроводом МИД): при низких скоростях вращения шарика и, значит, небольших расходах жидкости напряжение, индуцированное в обмотке МИД, очень мало. Поэтому в клеммной коробке первичного преобразователя должен располагаться электронный импульсный усилитель. Обязательное размещение в клеммной коробке МИД электронного усилителя приводит к повышению стоимости преобразователя, снижению надежности и помехоустойчивости при эксплуатации.
Перечисленные три недостатка известных шариковых первичных преобразователей расхода жидкости обуславливают невозможность их использования при небольших расходах жидкости и горизонтальном положении преобразователя.
Задачей изобретения является расширение рабочего диапазона измерения расходов любых электропроводящих жидкостей, повышение точности преобразования (линейности статической характеристики), обеспечение работоспособности преобразователя расхода при любом его положении относительно вектора гравитации Земли и независимости амплитуды выходного сигнала преобразователя от величины расхода жидкости, исключение необходимости использования электронного усилителя.
Поставленная задача решается шариковым первичным преобразователем расхода электропроводной жидкости, состоящим из цилиндрического корпуса с кольцевым каналом, в котором свободно может вращаться шарик, неподвижного струенаправляющего аппарата и узла съема сигнала, в котором в отличие от прототипа 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.
Электрическое сопротивление между электродами изменяется с частотой, равной частоте вращения шарика и пропорциональной величине расхода жидкости.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
вых
кэ.нас
пит
к
На фиг.1 представлен пример конструкции первичного шарикового преобразователя расхода электропроводной жидкости. На фиг.2 и 3 показаны два возможных положения шарика относительно электродов 5 и 6. На фиг.4 показана диаграмма выходного (коллекторного) напряжения шарикового первичного преобразователя расхода электропроводной жидкости, где: U(φ) - выходное напряжение шарикового расходомера; U - напряжение насыщения транзистора; U - напряжение питания; φ - угловое положение шарика относительно электродов 5 и 6 в радианах. На фиг.5 представлена диаграмма тока коллектора транзистора, где I(φ) - ток коллектора транзистора.
Шариковый первичный преобразователь расхода электропроводной жидкости содержит (фиг.1): l - металлический корпус со струенаправляющим аппаратом 2 и кольцевым каналом 3 с диэлектрическим покрытием; диэлектрический шарик 4, обладающий нулевой плавучестью в жидкости, который может свободно вращаться в кольцевом канале 3; электроды 5 и 6, введенные через корпус 1 и проходные изоляторы заподлицо с внутренней поверхностью кольцевого канала 3 таким образом, чтобы шарик 4 при вращении мог максимально изменять сопротивление электропроводной жидкости между ними.
На фиг 1 как пример согласования первичного преобразователя с вторичным электронным прибором 8 показан биполярный транзистор 7, база и эмиттер которого соединены с электродами 5 и 6.
Устройство работает следующим образом. Если шарик оказывается между электродами 5 и 6, как показано на фиг.2, то длина траекторий движения электрических зарядов в электропроводной жидкости между электродами 5 и 6 велика, поэтому сопротивление между ними будет максимально для известной жидкости, выбранных геометрических размеров канала, шарика и при взаимном расположении электродов в канале. Когда шарик оказывается вне зоны электродов 5 и 6, как показано на фиг.3, усредненная длина электропроводной зоны будет меньше, значит, будет меньше и электрическое сопротивление между электродами.
пит
Импульсно изменяющееся сопротивление между электродами 5 и 6 легко преобразуется, как показано на фиг.1, в импульсные напряжение и ток коллектора биполярного транзистора 7. Потенциал базы транзистора 7 относительно эмиттера будет синхронно изменяться с изменением сопротивления между электродами 5 и 6, следовательно, транзистор синхронно будет переключаться из запертого состояния в состояние насыщения. Применение схемы с открытым коллектором транзистора не требует подведения питания +U из вторичного электронного устройства 8, соединенного с преобразователем двухпроводной линией требуемой длины.
Электрическое сопротивление между электродами 5 и 6 никак не зависит от скорости вращения шарика в канале, а определяется только положением шариков относительно электродов 5 и 6, как видно на фиг.4 и фиг.5.
кэ.нас
пит
Потому амплитуды импульсных напряжения и тока никак не зависят от скорости вращения шарика и, значит, расхода жидкости. Они определяются только напряжением насыщения транзистора U и величиной напряжения питания U во вторичном электронном устройстве, необходимом для обработки сигнала расходомера и визуализации результатов измерения.
Итак, заявляемое изобретение позволяет расширить диапазон измерения расхода воды и других электропроводящих жидкостей, повысить точность преобразования (линейности статической характеристики), обеспечить работоспособность преобразователя расхода при любом его положении относительно вектора гравитации Земли и независимость амплитуды выходного сигнала преобразователя от величины расхода жидкости, исключить необходимость использования электронного усилителя в составе преобразователя, ограничившись лишь биполярным транзистором с ключевым режимом работы.