Пленочно-пузырьковый расходомер
FILM-BUBBLE FLOWMETER

Изобретение относится к приборостроению в области измерительной техники и применяется при измерении малых расходов газа.
Принцип действия пленочно-пузырькового расходомера заключается в измерении времени прохождения пленкой поверхностно активного вещества (ПАВ) определенного объема калиброванной трубки.
Основными направлениями совершенствования пленочно-пузырьковых расходомеров являются: увеличение точности измерения времени движения пленки и проходимого ей объема, формирования одной пленки в каждом цикле измерения, однородность пленки, герметичность узлов и повышение общей надежности системы.
Изобретение по патенту RU №982439 предлагает в качестве рабочей жидкости вместо водного раствора мыла использовать составы, содержащие формамид и неионогенное поверхностно-активное вещество ОП-10 или ОП-7. Это позволяет уменьшить толщину остаточного слоя рабочей жидкости на стенках измерительной трубки, что способствует повышению точности измерений благодаря меньшему изменению калиброванного объема трубки.
Известен патент SU 1631285 направленный на определение толщины остаточного слоя рабочей жидкости путем измерения электрического сопротивления пленки на стенках. Это позволяет внести поправки на изменение объема калиброванной трубки и тем самым повысить точность измерения.
Другим фактором, влияющим на точность измерения является аккуратность (точность) определения времени прохождения пленкой ПАВ калиброванного объема. Для пленочно пузырьковых расходомеров типичным является метод визуального измерения с использованием шкалы бюретки и секундомера. В патентах US 4,879,907 и UK 2092742 для измерения времени движения пленки предлагается использовать оптический метод измерения. Суть метода заключается в определении моментов пересечение пленкой ПАВ контрольных точек начала и конца измерения временного интервала по прерыванию оптической связи между излучателем и приемником. Тем самым достигается повышенная точность измерения по сравнению с визуальным методом. К недостаткам оптического метода измерения может быть отнесена относительная дороговизна оптических сенсоров, их чувствительность к внешним воздействиям, высокие требования к точности изготовления оптического узла.
Независимо от метода измерения оптимальным является режим работы при котором на один цикл измерения формируется единственная однородная пленка. Разработке технических решений для формирования пленки посвящены патенты RU №1539535, US 4,691,577 и US 4,762,004. В патентах RU №1539535, US 4,691,577 формирование пленки обеспечивается подъемом уровня ПАВ до нижнего торца измерительной трубки механическим методом. В патенте US 4,762,004 мыльная пленка образуется путем погружения кольца в мыльный раствор и его последующего поднятия с помощью механического привода до входного отверстия трубки. При этом конструкция, предлагаемая в патенте RU №1539535, такова, что во время формирования пленки неконтролируемый поток газа выходит в атмосферу. Это не позволяет обеспечить непрерывную подачу газа потребителю, а в некоторых случаях может быть неприемлемо с точки зрения безопасности.
Прототипом изобретения выбран патент US 4,762,004. Техническое решение согласно указанного патентам предполагает введение снаружи в резервуар с ПАВ механических приводов и устройств для манипуляций с генератором мыльной пленки. Это приводит к усложнению конструкции, вызванному необходимостью соблюдения требований герметичности резервуара.
Задачей предлагаемого изобретения является достижение высокой точности измерения расхода газа, упрощение конструкции и повышение ее надежности, а также снижение стоимости расходомера.
Технический результат достигается благодаря предложенному конструктивному решению пленочно-пузырькового расходомера, который содержит герметичную цилиндрическую камеру частично заполненную поверхностно-активным веществом, газоподводящий штуцер, вертикально расположенную калиброванную стеклянную трубку, и кольцо генератора мыльных пузырей, размещенное концентрично под открытым концом трубки с возможностью вертикального возвратно-поступательного перемещения посредством привода, а также датчики приема входных импульсов. Согласно изобретению внутри стеклянной трубки размещены дистанционно друг относительно друга три проволочных электрода, два из которых равной длины, а третий короче на фиксированный размер от концов первых двух, при этом для подачи поверхностно-активного вещества на открытый конец трубки, и далее на электроды, кольцо генератора снабжено магнитной связью с внешним кольцом, подвижно размещенным на внешней стенке камеры, и связанным с приводом вертикального перемещения.
Положительным результатом предложенного изобретения является низкая стоимость изготовления измерительного устройства за счет исключения из конструкции дорогостоящих оптических компонентов и деталей, требующих сложных методов изготовления. При этом, обеспечивается высокая, по сравнению с визуальным методом и сопоставимая по сравнению с электронно-оптическим методом, точность измерения расхода газа.
На фиг. 1 и фиг. 2 изображен общий вид пленочно-пузырькового расходомера;
На фиг. 3 - схема расположения электродов внутри трубки.
Пленочно-пузырьковый расходомер, содержит герметичную цилиндрическую камеру 1 частично заполненную поверхностно-активным веществом, газоподводящий штуцер 2, вертикально расположенную калиброванную стеклянную трубку 3 и генератор мыльных пузырей, который состоит из кольца 4, размещенного под открытым концом трубки 3 соосно с ней. Кольцо генератора 4 снабжено магнитной связью с внешним кольцом 5, подвижно закрепленным на внешней стенке камеры 1 Взаимодействие кольца генератора 4 и внешнего кольца 5 происходит за счет установленных на них магнитов 6. Таким образом, привод (на фиг. не показано) перемещает внешнее кольцо 5 в вертикальной плоскости, приводит в движение кольцо 4 и пленка ПАВ с кольца 4 подается на открытый конец трубки 3 (см. фиг. 1 и 2). Внутри стеклянной калиброванной трубки 3 размещены дистанционно друг от друга три проволочных электрода 7, 8 и 9, два из которых 7 и 8 равной длины, а третий электрод 9 короче первых двух на фиксированную величину L - расстояние между концами электродов 8 и 9. При этом вертикальное расстояние между концами короткого и длинных электродов определяет рабочий объем, используемый при расчете расхода газа. При перемещении кольца генератора 4 вверх происходит замыкание мыльной пленкой первых двух электродов 7 и 8, а затем, через некоторый период времени, и третьего 9, при этом формируются выходные сигналы, поступающие на микроконтроллер (на фиг. не показано), рассчитывающий на их основании время прохождения пленкой ПАВ рабочего объема (см. фиг. 3). Отношение рабочего объема к измеренному времени определяет значение величины расхода газа.
Пленочно-пузырьковый расходомер работает следующим образом.
Поток газа, объемный расход которого подлежит измерению, поступает в камеру 1, через штуцер 2, и покидает измерительную систему через прозрачную трубку 3. Цикл измерения начинается с приведения в действие привода внешнего кольца 5 с закрепленными на ней постоянными магнитами 6, которая может совершать прямолинейные возвратно поступательные перемещения в вертикальной плоскости с внешней стороны камеры 1. В нижнем положении кольцо генератора полностью погружено в мыльный раствор, частично заполняющий камеру 1, таким образом, что верхний уровень мыльного раствора находится ниже торца трубки 3. Кольцо генератора 4 и внешнее кольцо 5 входят в магнитное зацепление, и при движении кольца 5 вверх кольцо генератора 4 также движется вверх, захватывая мыльный раствор, образующий на рабочей части кольца генератора мыльную пленку. При прохождении кольцом 4 торца трубки 3, мыльная пленка увлекается потоком газа внутрь трубки 3 и продолжает движение со скоростью потока внутри трубки. По достижении электропроводящей мыльной пленкой концов электродов 7 и 8, один из которых 7 подключен к источнику постоянного тока, а второй 8 через делитель напряжения к аналогово-цифровому преобразователю (АЦП) микроконтроллера (на фиг. не показано), эта цепь замыкается в точке А (см. фиг. 3) и начинается отсчет времени движения пленки. Дальнейшее замыкание аналогичной цепи 7-9, где электрод 9, также подключен через делитель напряжения к АЦП микроконтроллера, служит сигналом для остановки отсчета времени. Таким образом определяется время (Δt) за которое мыльная пленка проходит фиксированное расстояние (L) внутри трубки 3. Тем самым, становится известным время за которое газ заполняет объем , где  суммарный объем электродов 7, 8 и 9. Данные о времени заполнения используются микроконтроллером для расчета объемного расхода газа по формуле (1) и вывода/сохранения результата.
где Q - объемный расход газа;
V - свободный объем внутренней части трубки 3, находящийся между концами электродов 8 и 9;
t - время заполнения газом объема V;
R - радиус трубки 3;
L - расстояние между концами электродов 8 и 9;
a
b
t, t - время замыкания контактов А и В (см. фиг. 3).
Положительный результат достигается благодаря предложенному конструктивному решению, которое обеспечивает достижение высокой точности измерения расхода газа, упрощение конструкции и повышение ее надежности, а также снижение стоимости расходомера.
Источники информации:
1. Патент RU №982439, МПК G01F 1/42, 1981 г.;
2. Патент RU №1539535, МПК G01F 1/42, 1986 г;
3. Патент US 4762004, МПК G01F 1/708, 1988 - прототип