Шариковый расходомер электропроводной жидкости
BALL-TYPE FLOW METER FOR ELECTRICALLY CONDUCTIVE LIQUID

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в расходометрии любых электропроводных жидкостей, например, воды, кислот, щелочей и их водных растворов, растворов солей в воде в химической, фармацевтической, пищевой промышленности, в электро- и теплоэнергетике, в составе счетчиков количества теплоты, в жилищно-коммунальном хозяйстве для учета потребления холодной и горячей воды.
Все известные варианты конструкций 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 многочисленные варианты конструкций шариковых первичных преобразователей 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 - 297 с.].
Известен шариковой преобразователь расхода [патент RU 2253843 С1, кл. 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 А1, кл. 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 съема 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.
В известных конструкциях шариковых преобразователей расхода жидкости в импульсный электрический выходной сигнал имеются недостатки, обусловленные использованием ферромагнитного шарика и магнитоиндукционного датчика:
1. 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.
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.
MAX
MIN
3
Использование тяжелого ферромагнитного шарика и применение магнитоиндукционного способа формирования выходного импульсного сигнала делают невозможной работу преобразователя в горизонтальном положении и резко снижают динамический диапазон измерения расхода жидкости Q/Q и увеличивают погрешность измерения расхода жидкости Q [м/ч]. В частности, серийно выпускаемые шариковые первичные преобразователи «Шторм-8А» и «Шторм-32М», используемые в атомной энергетике и внесенные в Государственный реестр средств измерений под №5706-08, имеют узкий рабочий диапазон (4÷6) и весьма 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, кл. 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, отличающийся тем, что для формирования выходного электрического (частотного или число-импульсного) сигнала используется светоизлучатель и фотоприемник, 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 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 съема электрического сигнала, отличающийся 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.
Наиболее близким по конструкции и достигаемому техническому результату к заявленному шариковому расходомеру электропроводной жидкости (далее - ШРЭЖ), является электрошариковый первичный преобразователь расхода электропроводной жидкости [патент RU 2566428 С1, кл. G01F 1/06, опубл. 27.10.2015 г.], состоящий из корпуса, выполненного из диэлектрического материала, струенаправляющего аппарата, шарика, изготовленного из диэлектрика с нулевой плавучестью в жидкости, который может вращаться в кольцевом канале, и трех электродов, установленных в кольцевом канале в плоскости качения шарика и заподлицо с его внутренней поверхностью, 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 управляемые вращающимся шариком. Эта конструкция преобразователя обеспечивает независимость амплитуды и крутизны фронтов выходных прямоугольных импульсов от вида и физических параметров электропроводной жидкости, положения первичного преобразователя в пространстве. Но этот первичный преобразователь расхода электропроводной жидкости, рассматриваемый как прототип заявленного ШРЭЖ, имеет недостаток, проявляющийся при больших расходах жидкости и снижающий максимально возможный измеряемый расход жидкости.
MAX
MIN.
Если исключить «опрокидывание» выходных импульсов и, затем, их «слипание», то можно увеличить динамический диапазон функции преобразования D=Q/Q Для этого необходимо устранить недостаток прототипа - универсального электрошарикового первичного преобразователя расхода электропроводной жидкости.
1
2
Этот недостаток можно пояснить с помощью рисунка Фиг. 1, на котором Эа, Эb и Эс - электроды; +U и +U потенциалы на электродах Эа и Эb относительно электрода Эс (общей шины электронной части расходомера), когда на входе операционного усилителя напряжение положительно.
На данном рисунке  - вектор линейной скорости движения жидкости относительно неподвижных электродов Эа, Эb и Эс, которая задается только струенаправляющим аппаратом и зависит от величины расхода жидкости.
Из рисунка Фиг. 1 следует, что движущаяся относительно неподвижных электродов Эа, Эb и Эс жидкость влияет на среднюю скорость дрейфа положительных и отрицательных ионов: между электродами Эа и Эс скорость движения положительных ионов увеличивается на величину скорости движения жидкости V, скорость движения отрицательных ионов настолько же уменьшается; между электродами Эb и Эс движущаяся жидкость со скоростью V увеличивает скорость перемещения отрицательных ионов и настолько же снижает скорость движения положительных ионов.
1
2
1
2
Зависимость электрических потенциалов U и U не только от положения шарика относительно электродов Эа, Эb и Эс и, значит, дифференциального напряжения U - U на входе операционного усилителя, но и от частоты вращения шарика (расхода жидкости) свидетельствует о том, что установленные после сборки расходомера пороги срабатывания двухпорогового компаратора на операционном усилителе с положительной и отрицательной обратными связями будут изменяться при изменении расхода жидкости, и при достаточно большом расходе оба порога срабатывания компаратора становятся однополярными. При этом на выходе расходомера импульсное выходное напряжение исчезает, оно становится постоянным положительным или отрицательным, то есть преобразователь расхода жидкости перестает функционировать.
+
-
+
-
+
-
Рассмотрим этот недостаток с помощью теории электропроводности жидкости. Из теории электрической проводимости жидкостей [Яворский Б.М. и Детлар А.А. Справочник по физике. - М. Наука, 1985-512 с., §III.9.3. Электрическая проводимость жидкостей, стр. 195] известно, что плотность тока i в произвольном сечении электропроводной жидкости равна сумме плотностей токов положительных и отрицательных ионов i=i+i, причем,  и  где qи q - электрические заряды положительных и отрицательных ионов жидкости;  и  - концентрации положительных и отрицательных ионов в жидкости; Vи V - средние скорости упорядоченного движения (дрейфа) положительных и отрицательных ионов.
Учитывая изложенное в отношении теории электрической проводимости жидкостей, получаем
Если площадь жидкости между электродами S, через которую течет электрический ток, неизменна, то ток между электродами
В универсальном электрошариковом первичном преобразователе расхода электропроводной жидкости вращающийся с угловой скоростью ω в кольцевом канале шарик, выполненный из диэлектрического материала, модулирует реальную площадь жидкости между электродами с частотой его вращения, поэтому ток
1
2
где S(ω) и S(ω) - нелинейные функции, характеризующие изменение площадей жидкости между электродами, через которые протекают электрические токи, при вращении диэлектрического шарика в кольцевом канале расходомера.
Изменение величины электрического тока между электродами вызывает изменение разностей потенциалов между электродами с частотой *, которые в известной конструкции расходомера, названного прототипом, преобразуются с помощью операционного усилителя в выходные прямоугольные импульсы.
+
-
Отмеченный выше недостаток прототипа, уменьшающий максимально возможный измеряемый расход жидкости и, следовательно, снижающий динамический диапазон измерения расхода, следует из последнего выражения для тока между электродами: ток между электродами и, значит, разность потенциалов между ними зависит не только от положения шарика в кольцевом канале относительно электродов Эа, Эb и Эс, но и от скоростей движения ионов Vи V между электродами, которые тоже зависят от скорости вращения шарика и жидкости.
Данный недостаток расходомеров электропроводной жидкости с тремя электродами в кольцевом канале подтверждался при натуральных испытаниях четырех опытных образцов расходомеров (Ду-15, Ду-25, Ду-32 и Ду-40) на аттестованном стенде УПСЖМ-150 (заводской номер 084) в региональном Центре стандартизации и метрологии, сначала в виде опрокидывания скважности следования выходных импульсов с низких значений (0<S<<0,5) до высоких (0,5<<S<1), затем их исчезновением (S>1).
П1
П2
П
Второй недостаток универсального электрошарикового первичного преобразователя электропроводной жидкости, являющегося прототипом заявленного расходомера, заключается в том, что, во-первых, для электропитания электронной части требуется два источника стабилизированного напряжения (U и U), включенных последовательно и со средней точкой. Во-вторых, средний электрод подключен к выходу операционного усилителя и в процессе эксплуатации расходомера на нем напряжение импульсно меняется с размахом, почти достигающим двойного напряжения питания (2U).
Так как интегральный операционный усилитель имеет коэффициент усиления по напряжению, как минимум, многие десятки тысяч, напряжение на среднем электроде может быть значительно меньше, что снижает вероятность возникновения на нем нежелательных и разрушительных электрохимических процессов, тем более, если расходомер работает с хорошо электропроводной и агрессивной жидкостью.
П1
П2
Третьим недостатком является использование двухпорогового регенеративного компаратора, реализованного на операционном усилителе с положительной и отрицательной обратными связями. Значит, после сборки расходомера в реальном производстве, перед предпродажной проверкой в Центре сертификации и метрологии необходимо тщательно установить значения двух порогов срабатывания компаратора, принимая во внимание их зависимость от напряжений электропитания (U и U). Все это повышает требования к источнику электропитания и, в целом, снижает рентабельность серийного производства расходомеров, приводит к увеличению стоимости изделия и снижает его конкурентоспособность на рынке приборов учета расхода жидкости.
Задачей изобретения является расширение областей использования шарикового расходомера электропроводной жидкости за счет возможности измерения расхода жидкости в очень широком диапазоне и при минимально возможной погрешности измерения (особенно при больших расходах), снижение потребляемой мощности от источника электропитания, чтобы можно было использовать автономное электропитание расходомера от химических элементов, упрощение схемы электронной части расходомера и процедуры ее настройки в требуемый режим работы, что позволяет снизить себестоимость шарикового расходомера в условиях его серийного производства, наконец, возможность использования трехпроводной линии связи расходомера со вторичным электронным преобразователем.
Технический результат - значительное увеличение динамического диапазона измерения расхода жидкости независимо от вида и параметров жидкости, полное подавление влияния величины расхода жидкости на выбранный режим работы электронной части расходомера и снижение погрешности преобразования расхода жидкости в частоту следования выходных импульсов (особенно при больших расходах), использование одного источника электропитания, и почти в два раза понижение потребляемой мощности от него, применение в электронной схеме однопорогового компаратора, использование трехпроводной линии связи расходомера со вторичным электронным преобразователем.
Поставленная задача решается и технический результат достигается шариковым расходомером электропроводной жидкости, состоящим из цилиндрического корпуса, соосно вставленного в него винтообразного струенаправляющего аппарата со ступицей, кольцевого канала между ступицей и внутренней поверхностью корпуса, шара, который может вращаться в кольцевом канале и выполнен из диэлектрического материала, имеющего нулевую плавучесть в жидкости, электродов, размещенных заподлицо в кольцевом канале на внутренней поверхности корпуса, в котором в отличие от прототипа установлены четыре электрода в вершинах квадрата, два из которых, находящихся вдоль направления движения жидкости с шаром, соединены с общей шиной электропитания, два другие соединены со входами однопорогового компаратора на операционном усилителе.
Сущность изобретения поясняется чертежами Фиг. 2, Фиг. 3 и Фиг. 4.
На Фиг. 2 изображена конструкция гидромеханической части ШРЭЖ.
На Фиг. 3 представлена электрическая схема узла съема сигнала с электродов Э1, Э2, Э3 и Э4 и нормирования выходного импульсного напряжения.
1
2
На Фиг. 4 показаны диаграммы напряжений U(ϕ) и U(ϕ) на неинвертирующем и инвертирующем входах операционного усилителя DA1 и на электродах Э1 и Э2 соответственно.
Гидромеханическая часть ШРЭЖ, как показано на Фиг. 2, состоит из цилиндрического корпуса 1, изготовленного из диэлектрического материала (стекла, пластмассы или композитного материала), вставленного в него струенапрвляющего аппарата 2 со ступицей 3, шара 4, выполненного из диэлектрика и имеющего нулевую плавучесть в жидкости, который свободно может вращаться в кольцевом канале, возникающем между внутренней поверхностью корпуса 1 и внешней поверхностью ступицы 3, и четырех электродов Э1, Э2, Э3 и Э4, размещенных заподлицо с внутренней поверхностью корпуса 1 симметрично по отношению к траектории качения шара 4.
Неподвижный струенаправляющий аппарат 2, представляющий собой несколько лопастей, имеющих такую конфигурацию, чтобы преобразование входного линейного потока жидкости во вращающийся поток осуществлялось без его срывов и завихрений.
Расстояние между электродами Э1 и Э2, Э3 и Э4, Э1 и Э4, Э2 и Э3 должно быть одинаковым, и они должны располагаться на корпусе 1 так, чтобы траектория качения шара 4 делила расстояния между электродами Э2 и Э3, Э1 и Э4 на две равные части.
Как показано на Фиг. 2, шар 4 вращается по отношению ко входу расходомера по часовой стрелке, проходя сначала под электродами Э2 и Э3, затем под электродами Э1 и Э4.
П
Электрическая часть ШРЭЖ, как показано на Фиг. 3, состоит из четырех электродов Э1, Э2, Э3 и Э4, трех резисторов R1, R2 и R3, источника стабильного напряжения питания U, интегрального операционного усилителя (ОУ) DA1, функционирующего в режиме однопорогового компаратора.
B1
B2
П
ВЫХ
Сопротивления электропроводной жидкости R и R между электродами Э1 и Э4, Э1 и Э3, Э2 и Э3, Э2 и Э4 с резисторами R1, R2 и R3 включены в мостовую схему. Электропитание моста осуществляется стабилизированным напряжением U. Выходное дифференциальное напряжение этого резистивного моста между электродами Э1 и Э2 с целью нормирования выходного напряжения U ШРЭЖ подключены соответственно к неинвертирующему и инвертирующему входам ОУ DA1.
П
ВХ
ДИФФ
1
2
П
У
У
ВЫХ
ВЫХ.МАКС.
У
ВЫХ.МАКС.
П
ВХ.МАКС.
1
2
ВЫХ.
Операционный усилитель DA1 подключен к однополярному источнику напряжения питания U, поэтому при входном дифференциальном напряжении U.=U-U>U/k, где k - коэффициент усиления по напряжению используемого типа интегрального ОУ, выходное напряжение расходомера U будет максимально возможным UТак как kпромышленно выпускаемых интегральных ОУ очень большой (многие десятки и сотни тысяч), то сигнал, снимаемый между электродами Э1 и Э2, может иметь милливольтный уровень. Обычно максимально возможное выходное напряжение интегрального ОУ положительной полярности U=U-0/6 В. Если входное напряжение ОУ DA1 U=U-U<0, то выходное напряжение расходомера при однополярном электропитании U<0,6 В, то есть очень низкое.
1
2
ВЫХ
Переменный резистор R3 необходим для настройки схемы в исходное состояние, когда шар 4 находится неподвижно в противоположной электродам зоне кольцевого канала, с учетом реального неравенства промышленно выпускаемых сопротивлений резисторов R1 и R2 и сдвига нуля выходного напряжения ОУ (при U - U, U ≠ 0).
0
1
2
B1
B2
П
Сопротивления резисторов R1=R2 рассчитывается, исходя из желаемого значения тока I, напряжений U=U и известного сопротивления жидкости R и R между электродами Э1 или Э2 относительно общей шины схемы (-U), когда она находится в исходном состоянии.
ВЫХ
2
1
После сборки ШРЭЖ и перед его предпродажной поверкой и опломбирования необходимо установить требуемый режим работы электронной схемы. С этой целью с помощью подстроенного резистора R3 необходимо обеспечить такой разбаланс мостовой схемы (режим работы), чтобы выходное напряжение ОУ DA1 имело требуемую величину. Например, если согласно утвержденным техническим условиям на данное средство измерения расхода жидкости требуется обеспечить состояние U - низкое напряжение относительно общей шины (для интегрального ОУ с однополярным питанием оно не более 0,6 В), то с помощью резистора R1 необходимо установить превышение напряжения U на инвертирующем входе ОУ DA1 над напряжением U в несколько (2..5) милливольт.
1
2
ВЬ1Х
П
В реальных условиях эксплуатации ШРЭЖ при отсутствии расхода жидкости шар 4 может остановиться между электродами Э1 и Э4, тогда сопротивление жидкости между ними будет большим, напряжение U на неинвертирующем входе ОУ DA1 превысит напряжение U, дифференциальное положительное напряжение на входе ОУ обеспечит высокое постоянное напряжение на выходе схемы U=U - 0,6 В.
ВЫХ
Таким образом, в статическом состоянии ШРЭЖ выходное напряжение U может быть высоким или низким, но не импульсным.
1
2
ВЫХ
1
2
При вращении шара в кольцевом канале происходит модуляция сопротивлений жидкости между электродами Э1 и Э4, Э1 и Э3, Э2 и Э3, Э2 и Э4 с частотой вращения шара, значит, модулируется дифференциальное напряжение U - U, и выходное напряжение будет импульсным с очень короткими фронтами благодаря очень большому коэффициенту усиления по напряжению интегральных операционных усилителей. Процесс генерации выходного импульсного напряжения U в зависимости от напряжений U и U на неинвертирующем и инвертирующем входах ОУ DA1 и углового положения ϕ шара относительно четырех электродов Э1, Э2, Э3 и Э4 показан на Фиг. 4.
Рассмотрим эффект подавления влияния вращающейся в кольцевом канале жидкости на установленный резистором переменного сопротивления R3 режим работы электронной части ШРЭЖ Фиг. 5, на котором показаны векторы токов положительных и отрицательных ионов жидкости, протекающих между электродами Э1 и Э4, Э1 и Э3, Э1 и Э2, Э2 и Э3, Э2 и Э4.
1
2
У положительных и отрицательных ионов, протекающих в жидкости между контактами Э1 и Э2 не показаны направления, потому что они с частотой пробегания шара под электродами меняют свое направление в зависимости от полярности дифференциального напряжения U - U.
Если шар в данный момент времени находится в зоне электродов Э1 и Э4, то дифференциальное напряжение
B
B
где R - сопротивление жидкости между электродами, когда шар находится далеко от них, то есть не мешает движению положительных и отрицательных ионов между этими контактами; ΔR - абсолютное увеличение сопротивления жидкости между электродами, когда шар препятствует свободному движению ионов в жидкости; R1, R2 - сопротивления сторон моста без учета некоторого незначительного смещения подвижного контакта резистивного потенциометра R3 относительно его середины, необходимое для фиксирования требуемого начального состояния схемы.
1
2
Для оценки полярности дифференциального напряжения U - Uвполне приемлемо считать R1 ≈ R2=R, и дифференциальное напряжение
ВЫХ
У
1
2
У
П
и на выходе ШРЭЖ выходное напряжение U=k(U - U), где k - коэффициент усиления по напряжению ОУ DA1, будет почти равно напряжению питания U.
Если шар в данный момент времени будет находиться над электродами Э2 и Э3, то напряжение
ВЫХ
и выходное напряжение U станет предельно низким.
Очень важно, что дифференциальное напряжение на входе ОУ имеет милливольтный уровень, и ток между электродами Э1 и Э2 при реальном сопротивлении жидкости будет иметь микроамперные значения. При таких низких напряжениях и токах между электродами электрохимические процессы не возникают, и можно пренебречь влиянием движущейся жидкости на подвижность положительных и отрицательных ионов.
1
2
1
2
Поскольку движущаяся жидкость отклоняет все траектории дрейфа положительных и отрицательных ионов синфазно в одном и том же направлении, увеличивая длину соответствующих участков электропроводной жидкости и, значит, их электрические сопротивления, увеличиваются синфазные напряжения U и U на электродах Э1 и Э2, но дифференциальное напряжение U - U на входе ОУ DA1 остается всегда неизменным.
Итак, в представленном ШРЭЖ достигается технический результат:
- значительное увеличение динамического диапазона измерения расхода электропроводной жидкости за счет увеличения максимально допустимой величины расхода, достигаемого подавлением влияния скорости движения жидкости в кольцевом канале на выбранный режим работы электронной схемы;
- использование одного источника питания и снижение потребляемой мощности электронной схемой почти в два раза;
- применение однопорогового компаратора на операционном усилителе;
- использование трехпроводной линии связи со вторичным электронным преобразователем.