ДАТЧИК МАЛЫХ РАСХОДОВ ЖИДКОСТИ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в химической, биохимической промышленности и медицине в качестве бесконтактного датчика расхода жидкостей, например растворов лекарственных средств в инфузионных системах, жидких химических веществ, в том числе катализаторов и титров.
Известна капельница для расходомера [Литвак В.И. Фотоэлектрические датчики в системах контроля, управления и регулирования. М.: Наука, 1966 г., С. 289-290, рис. 6.37], которая содержит корпус с капельницей, каплеобразователь, источник излучения и фотоприемник, расположенные в перпендикулярной плоскости относительно движения капли. При каждом пересечении луча фотоприемник подает электрический сигнал на электронную схему расходомера. В расходомере предусмотрена возможность определения полного числа капель при помощи счетчика на декатронах.
В связи с тем, что вес капли зависит от поверхностного натяжения, для получения высокой точности измерений необходимо стабилизировать температуру жидкости, расход которой измеряется. Кроме того, данному типу датчика необходима обязательная предварительная калибровка, определяющая объем капли измеряемой жидкости. Устройство имеет достаточно большие размеры, что осложняет его использование. Все эти недостатки ограничивают область применения устройства, снижают его точность и надежность.
Известно устройство для измерения расхода жидкостей [Патент РФ №2247328, МПК G01F 1/52, 2005 г.], содержащее измерительный блок и преобразователь в унифицированный сигнал. Измерительный блок выполнен в виде цилиндра с входным и выходным отверстиями. Во входном отверстии установлена труба для подвода жидкости. В выходном отверстии установлена щелевая труба с вертикальным щелевым отверстием. Верхний конец щелевой трубы расположен относительно торцевой поверхности цилиндра на расстоянии ее диаметра. Изобретение позволяет непрерывно измерять расход невязких жидкостей и преобразовывать измеренные величины расхода в унифицированный импульсный сигнал, например пневматический или электрический.
Устройство может найти применение в отраслях промышленности, использующих малые расходы жидкостей, например, в спиртовой или гидролизной промышленности, однако, применение данного устройства не позволяет произвести измерение расхода капельной жидкости, подаваемой дискретно. Конструктивные особенности устройства не позволяют выполнять точные измерения при очень малом расходе жидкости порядка 1 л/час. Кроме того, устройство имеет достаточно сложную конструкцию и требует точной и трудоемкой настройки для измерения различного расхода жидкости и измерения расхода жидкостей с различными свойствами. Контактный метод измерения, используемый в устройстве, не позволяет применять его для измерения расхода ядовитых и агрессивных жидкостей. Все это ограничивает область применения устройства, снижает его долговечность и точность измерения.
Наиболее близким техническим решением является датчик расхода жидкости [Патент РФ №2035720, МПК G01N 21/85, G01F 1/06, 1992 г.], содержащий источник излучения и фотоприемник, установленные соосно с диаметрально противоположных сторон вала микротурбинки в отверстия, выполненные в корпусе. Светопрозрачное кольцо установлено в паз, ширина и глубина которого соответственно равны высоте и толщине светопрозрачного кольца, микротурбинка содержит четное число лопаток, равномерно установленных по образующей вала. В валу между лопатками радиально выполнены сквозные отверстия, с помощью которых оптически связаны источник излучения и фотоприемник. Частота вращения микротурбинки пропорциональна скорости протекания через датчик жидкости, что позволяет определить ее расход.
Однако чувствительность датчика сравнительно невысокая и при небольших расходах погрешность измерения значительно возрастает. Это не позволяет использовать датчик, например, в качестве датчика малых расходов жидкости, где необходима высокая чувствительность, небольшая масса, высокая надежность и малые габариты.
Сложность изготовления некоторых элементов датчика повышает его стоимость, а конструкция узла съема информации не позволяет определять расход темной и непрозрачной жидкости. Контактный метод измерения не позволяет использовать датчик в агрессивных и ядовитых средах.
Все эти недостатки снижают точность измерения малых расходов жидкости, ограничивают область применения датчика и усложняют его конструкцию.
Технический результат полезной модели заключается в повышении точности измерения малых расходов жидкости и расширении диапазона измеряемых расходов любой жидкости.
Указанный технический результат достигается тем, что датчик малых расходов жидкости, содержащий корпус с соосными входным и выходным патрубками и узел съема информации, включающий оптически связанные между собой источник излучения, фотоприемник и светопрозрачный элемент, отличается тем, что датчик снабжен оптической системой, состоящей из рассеивающей и собирающей линз и двух пластин с щелевидной горизонтальной прорезью, формирующей измерительную плоскость в виде светового потока внутри светопрозрачного элемента, снабженного каплеобразователем и установленного в отверстии в корпусе перпендикулярно его оси.
Датчик малых расходов жидкости характеризуется тем, что светопрозрачный элемент выполнен в виде цилиндра и установлен в отверстии цилиндрической формы.
Датчик малых расходов жидкости характеризуется тем, что в качестве светопрозрачного элемента используют капельную камеру инфузионной системы, установленную в отверстии конусообразной формы.
Отличиями заявляемого устройства является его конструктивное исполнение, при котором датчик малых расходов жидкости снабжен оптической системой, состоящей из рассеивающей (стеклянного цилиндра) и собирающей линз и двух пластин с щелевидной горизонтальной прорезью, формирующих направленный световой поток в виде светопрозрачной измерительной плоскости, проходящей через светопрозрачный элемент. При прохождении капли жидкости через измерительную плоскость луч искажается и интенсивность светового потока снижается. Фотоприемник передает сигнал на аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Это позволяет точно определять малые расходы жидкости в каплях, что значительно расширяет диапазон измеряемых величин малого расхода жидкости. При этом обеспечивает бесконтактный метод измерения расхода жидкости, что позволяет измерять расход практически любой (в том числе агрессивной и ядовитой) жидкости, которая может образовывать капли.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами ее конструкции. На фиг. 1 представлена схема конструкции датчика с цилиндрическим светопрозрачным элементом в разрезе, на фиг. 2 - схема конструкции датчика с цилиндрическим светопрозрачным элементом, вид сверху, на фиг. 3 - схема конструкции датчика с капельной камерой инфузионной системы.
Датчик малых расходов жидкости содержит корпус 1 с непрозрачными заглушками 2, внутри которого установлены крепежные кольца 3 и 4, оправы линз 5 и 6, пластины с щелевидной горизонтальной прорезью 7 и 8. В отверстии 9 перпендикулярно оси корпуса 1 расположен светопрозрачный элемент 10. В крепежном кольце 3 установлен источник излучения (лазерный светодиод) 11 с выводами 12, а в крепежном кольце 4 - фотоприемник (фототранзистор или фотодиод) 13 с выводами 14. В оправе 5 установлена рассеивающая линза 15, выполненная в виде стеклянного цилиндра, а в оправе 6 - собирающая линза 16. Светопрозрачный элемент 10 имеет входной 17 и выходной 18 патрубки для жидкости и каплеобразователь 19. Две линзы 15 и 16 и две пластины с щелевидной горизонтальной прорезью 7 и 8 образуют оптическую систему 20, преобразующую световой поток от источника излучения 11 и формирующую измерительную плоскость 21 внутри светопрозрачного элемента 10.
Диаметр светопрозрачного элемента 10 должен составлять не менее трех диаметров капли измеряемой жидкости и быть больше длины щелевидных горизонтальных прорезей пластин 7 и 8. Длина щелевидной горизонтальной прорези пластины 8 несколько больше длины щелевидной горизонтальной прорези пластины 7. Длина щелевидных горизонтальных прорезей пластин 7 и 8 меньше диаметров рассеивающей 15 и собирающей 16 линз.
Для повышения точности измерения необходимо уменьшить высоту щелевидных горизонтальных прорезей пластин 7 и 8 и обеспечить длину щелевидной горизонтальной прорези пластины 8 соразмерно проекции тени капли жидкости.
Относительное смещение щелевидных горизонтальных прорезей пластин 7 и 8 недопустимо, т.к. это ведет к снижению чувствительности и точности датчика.
Датчик малых расходов жидкости работает следующим образом.
Световые лучи от источника излучения 11, проходя через рассеивающую линзу 15 изменяют свое направление на близкое к параллельному и преобразуются в световой поток. После этого, пройдя через щелевидную горизонтальную прорезь пластины 7, световой поток формируется в виде измерительной плоскости 21, проходящей через светопрозрачный элемент 10, при этом частично преломляясь и частично рассеиваясь его стенками. При попадании капли, образованной каплеобразователем 19 в измерительную плоскость 21 световой поток искажается, а его интенсивность снижается. После светопрозрачного элемента 10 световой поток проходит через щелевидную горизонтальную прорезь пластины 8 и собирающую линзу 16. Это позволяет сфокусировать световой поток в виде луча, что обеспечивает надежное его попадание на фоточувствительный элемент фотоприемника 13. Щелевидная горизонтальная прорезь пластины 8 позволяет убрать рассеивание светового потока в вертикальной плоскости, которое создает дополнительную засветку фотоприемника, что ухудшает метрологические характеристики.
Сигнал с фотоприемника 13 преобразуется в электрический сигнал, подаваемый на АЦП.
Нераспространению светового потока от источника излучения во всем объеме корпуса 1 датчика, а также его точной фокусировке способствует система непрозрачных оправ 5 и 6 линз и пластин 7 и 8.
К входному и выходному патрубкам светопрозрачного элемента, выполненного в виде светопрозрачного цилиндра (фиг. 1), подводятся трубки. Жидкость из входного патрубка в виде капель, образованных каплеобразователем, проходит через измерительную плоскость светопрозрачного цилиндра и отводится через выходной патрубок. При этом сигнал от измерительной плоскости в виде искаженного светового луча попадает на фотоприемник и передается на АЦП, где преобразуется в расход жидкости.
Светопрозрачным элементом с измерительной плоскостью, каплеобразователем, входным и выходным патрубками может являться капельная камера инфузионной системы, соответствующая ГОСТ 25047-87 «Устройства комплектные эксфузионные, инфузионные и трансфузионные однократного применения. Технические условия», установленная в конусообразное отверстие корпуса (фиг. 3). Капля жидкости из входного патрубка проходит через измерительную плоскость и искажает световой поток. Снижение интенсивности светового луча, действующего на фотоприемник, фиксируется и передается на АЦП, который преобразует изменение сигнала в расход жидкости. Это позволяет расширить область применения данного датчика и использовать его, например, в медицине для контроля расхода вливаемых реципиенту растворов, переливания крови, ее компонентов и т.д.
Использование предлагаемого устройства по сравнению с имеющимися обеспечивает повышение точности измерения малых расходов жидкости, которая достигается увеличением количества дискретных преобразований, а также величины самой дискретизации сигнала при измерении за счет использования оптического метода измерения. При этом расширяется диапазон измеряемых величин малых расходов жидкости.
Выполнение измерительной плоскости внутри светопрозрачного элемента, не контактирующего с оптической системой, обеспечивает бесконтактный метод измерения, что значительно расширяет область применения датчика и позволяет использовать его для измерения малых расходов практически любых жидкостей, проводить измерения в агрессивных и ядовитых средах.