Лопастной расходомер
Полезная модель относится к области приборостроения и может быть использована для измерения расхода жидких и газообразных сред. Чувствительным элементом расходомера служит лопасть дисковой формы в трубопроводной секции корпуса. В другой секции корпуса размещен преобразователь. Лопасть и преобразователь соединены двуплечим рычагом, имеющем шарнир в виде разделительной мембраны. Преобразователь выполнен на основе автоколебательной системы баланс-растяжка с магнитоэлектрическим приводом и электронной схемой формирования импульсов привода. Конструктивно преобразователь выполнен блочным. При измерении сила гидродинамического сопротивления лопасти передается через двуплечий рычаг, увеличивает исходное натяжение растяжки. Выходной сигнал представляет собой последовательность импульсов, частота которой определяет величину расхода измеряемой среды. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.
Полезная модель относиться к области приборостроения, а именно к приборам измерения расхода сплошной среды и может быть использована для измерения расхода жидких и газообразных сред в магистралях.
Известны расходомеры с аналоговым преобразованием измерительной информации. Способ измерения расхода среды и устройство для его осуществления (патент RU 2314496 C1 МПК G01F 1/20, 15/12, опубл. 10.01.2008) предполагает создание на пути потока углубления с ассиметричной криволинейной поверхностью двойной кривизны с последующим измерением перепада между давлением в точке на исходно гладкой поверхности и в точке, находящейся на вогнутой криволинейной поверхности. Однако при кажущейся простоте конструкции технология изготовления криволинейной поверхности двойной кривизны оказывается сложной. Низка и эксплуатационная технологичность, поскольку появляющиеся отложения изменяют исходную форму поверхности;
Расходомер (патент RU 2362123 C2 МПК G01F 1/20, 1/34, GO1N 9/22, опубл. 20.07.2009) также использует перепад давления. Расходомер содержит корпус из двух частей, подводящее сопло и сопло подачи измеряемой среды в приемное отверстие корпуса, выходной патрубок. Камеры корпуса разделены перегородкой и мембраной и заполнены соответственно измеряемой средой и тестовой средой (жидкостью с известной плотностью: водой, спиртом, эфиром). Мембраны с закрепленными на них телами положительной плавучести разделяют соответствующие камеры на надмембранные полости и подмембранные полости. В каналы корпуса, соединяющие подмембранные полости и полость между соплами, введены герметизирующие элементы в виде поршней, жестко закрепленных на телах положительной плавучести. Каналы корпуса объединены с двумя дифференциально-трансформаторными преобразователями перемещений мембран. Обработку сигналов первичной информации осуществляет микроконтроллер. Как видим, конструкция сложна, соответственно низка ее производственная технологичность.
Представляют интерес устройства, содержащие колебательные звенья, поскольку частотный сигнал квантуется с высокой точностью и надежностью. Говорят о метрологической технологичности, ибо в общей цепи преобразований сигнала часть преобразователей могут быть выполнены на типовых элементах цифровой электроники.
Струйный датчик расхода (патент RU 2200302 C2 МПК G01F 1/20, опубл. 10.03.2003) состоит из генератора колебаний и преобразователя разности давлений. Генератор колебаний использует струйный дискретный элемент с соплом питания, рабочей камерой с наклонными стенками, разделитель с дефлектором, дренажные каналы, управляющие сопла, каналы обратной связи и выходные каналы. Гидравлическая часть датчика имеет очень сложную форму, следовательно, низкую производительную технологичность.
Известен струйный расходомер и способ его реализации (патент RU 2421690 C2 МПК G01F 1/20, 15/02, опубл.20.06.2011). Струйный расходомер (CP) содержит снабженный фланцами измерительный трубопровод с сужающим устройством в виде диафрагмы, камеры высокого и низкого давления которой соединены со струйным автогенератором (САГ), пьезоэлектрический преобразователь давления с тремя обкладками, две из которых обращены к струе, выходящей из САГ, а третья обкладка является общей, и электронный блок, в состав которого входит соединенные между собой индикатор колебания струи, включающий в себя дифференциальный усилитель, блок формирования сигнала, вторичный преобразователь сигнала и индикатор объемного расхода. В соответствующих узлах CP введены демпферы в виде листов. Соотношение толщин демпфера и каждой из стенок устройства составляет от 1 до 10. Для защиты от проникновения синфазных электрических и электромагнитных помех высокоомные входные цепи с дифференциальным усилителем размещены в дополнительном защитном экране и изолированы от местного заземления. Этой сложной конструкции свойственна также низкая производственная технологичность.
Сравнительно более высокой технологичностью обладают расходомеры с поворотной лопастью. Их технологичность (в широком смысле этого термина) существенно зависит от формы обработки сигнала (аналоговая, частотная) и устройства подшипниковых узлов. При наличии постоянного (Кулонова) трения в подшипниковом узле имеет место зона застоя, определяемая коэффициентом трения fтр. В угловом выражении зона застоя равна
При наличии зоны застоя в кинематической цепи лопасть не придет в номинальное положение. В результате в случае уменьшающихся расходов получим завышенное значение расхода (недоход сверху), а в случае возрастающих - заниженное (недоход снизу).
В качестве прототипа принят компенсационный расходомер с поворотной лопастью марки ДРП-1 (Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества: справочник, 4-е изд. перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, 1989. С. 258).
В одной секции корпуса в потоке измеряемой среды расположена лопасть дисковой формы. Эта лопасть установлена на первом плече двуплечего рычага, который установлен в корпусе на шарнире. Второе плечо двуплечего рычага находиться в другой секции корпуса и кинематически связано с преобразователем. Преобразователь преобразует развиваемую лопастью силу гидродинамического сопротивления и передаваемую двуплечим рычагом в выходной сигнал. Секции корпуса разделены сильфоном, в результате секция с лопастью оказывается под давлением измеряемого потока, а секция с преобразователем - под атмосферным давлением.
Преобразователь организован на элементах пневматики. Кинематическая связь с двуплечим рычагом также пневматическая. На двуплечем рычаге установлена заслонка, взаимодействующая с соплом дросселя. При повороте двуплечего рычага дроссельное давление воздуха возрастает и проходя пневмоусилитель воздействует на сильфон обратной связи. Усилие сильфона обратной связи через рычаг и тягу создает на двуплечем рычаге противодействующий момент. Таким образом, текущий угол поворота двуплечего рычага мал. Выходной сигнал аналоговый -давление воздуха в сильфоне обратной связи.
Низкая производственная технологичность рассматриваемого расходомера обусловлена высокими требованиями к шарниру двуплечего рычага по минимализации трения. Проблема трения усугубляется тем, что угол поворота двуплечего рычага соизмерим с углом застоя. Эксплуатационная технологичность лимитируется требованиями по стабильности давления воздуха в питающей магистрали преобразователя. Аналоговая форма выходного сигнала ограничивает метрологическую технологичность.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение технологичности расходомера.
Указанный результат достигается тем, что в лопастном расходомере, содержащем корпус, образованный из двух сопряженных сильфоном секций, лопасть дисковой формы, преобразователь, установленный в корпусе на шарнире двуплечий рычаг, при этом лопасть дисковой формы установлена на его плече в одной секции корпуса, а преобразователь кинематически связан со вторым плечом в другой секции корпуса, преобразователь выполнен в виде автоколебательной системы баланс-растяжка с магнитоэлектрическим приводом с бифилярной электрической патушкой и электронной схемой формирования импульсов привода, при этом один конец растяжки закреплен неподвижно на корпусе, а второй ее конец закреплен на муфте, установленной на двуплечем рычаге. В лопастном расходомере шарнир
двуплечего рычага выполнен в виде разделительной мембраны малой жесткости, связь муфты с двуплечим рычагом выполнена с образованием зазора. Преобразователь снабжен рессорой в виде упругой балки, один конец которой защемлен в поворотном шарнире, имеющем фиксатор положения, а другой закреплен на муфте. Электронная схема формирования импульсов привода выполнена на основе биполярного транзистора с общим эмиттером, при этом одна секция бифилярной электрической катушки соединена с базой транзистора и общей шиной, а вторая - с коллектором транзистора и шиной питания, коллектор и база транзистора связаны конденстатором. Секция корпуса с преобразователем выполнена герметичной.
На фиг. 1 изображен осевой разрез расходомера; на фиг. 2 - разрез А-А по фиг. 1; на фиг. 3 - схема формирования импульсов привода.
Принятые обозначения
1. Корпус
2. Лопасть дисковой формы
3. Тяга
4. Двуплечий рычаг
5. Разделительная мембрана
6. Кольцо мембраны
7. Винты кольца
8. Втулка мембраны
9. Растяжка
10. Баланс
11. Магнитопроводная втулка баланса
12. Плоские магнитопроводы баланса
13. Постоянные магниты
14. Противовесы
15. Нижняя накладка растяжки
16. Винты
17. Кронштейн
18. Винты
19. Накладка верхняя
20. Винты
21. Муфта
22. Рессора (упругая балка)
23. Поворотный шарнир
24. Электроизоляционная стойка
25. Винт фиксации шарнира 23.
26. Бифилярная электрическая катушка
27. СФИП
28. Накладка
29. Винты
30. Кабель
31. Электрический разъем
32. Сильфон
33. Резьбовая втулка сильфона
34. Колпак
35. Винты
Монтажной основой расходомера служит корпус 1, при этом одна секция корпуса изготовлена в виде трубы, которая по торцам имеет фланцы для соединения с трубопроводом протекающего газа или жидкости. На части длины труба усилена по сечению с образованием плоской поверхности Б. Левее поверхности Б (см. фиг. 1) имеется другая секция корпуса, в которой размещен преобразователь.
Чувствительным элементом расходера служит лопасть 2 в форме диска. Лопасть с помощью тяги 3 соединена с концом двуплечего рычага 4(входным плечом), при этом между лопастью и внутренней цилиндрической поверхностью корпуса образован кольцевой зазор. Шарнир рычага выполнен упругим в виде разделительной мембраны 5. Мембрана по контуру соединена с кольцом 6 (например, закаткой), а кольцо крепится в расточке корпуса винтами 7. В центре мембраны завальцовкой закреплена втулка 8. Рычаг 4 соединен со втулкой 8, например твердым припоем.
Исполнение шарнира двуплечего рычага в виде разделительной мембраны минимализирует ее момент изгиба и сводит к нулю зону застоя (Андреева Л.Е. Упругие элементы приборов. - М.: Машгиз, 1962. - 465 с).
Преобразователь представляет собой автоколебательную систему, составленную из осциллятора (колебательного звена) в виде упругого элемента - растяжки 9 и инерционной массы - баланса 10. Баланс составляют магнитопроводная втулка 11, по торцам которой закреплены плоские магнитопроводы 12. По концам плоских магнитопроводов встречно закреплены (например, клеем) постоянные магниты 13 осевой намагниченности с образованием магнитного зазора с однородным магнитным полем. По другим концам магнитопроводов баланса закреплены противовесы 14. Сборочная единица баланс закреплена в средней части растяжки 9 с помощью полукруглых конических штифтов. Это типовое крепление на фиг. 1 не отражено. Растяжка 9, прямоугольного сечения, одним концом (внизу) закреплена накладкой 15 с винтами 16 в кронштейне 17, закрепленном винтами 18 на плоскости Б корпуса, а вверху - накладкой 19 с помощью винтов 20 соединяется с муфтой 21. Муфта является элементом связи между рычагом 4 (выходным плечом) и регулируемой упругой опорой для верхнего крепежа растяжки. Связь муфты с рычагом 4 осуществляется с некоторым зазором. Регулируемая упругая опора представлена рессорой (упругой балкой) 22, одним концом защемленной в муфте, а другим - в поворотной фиксируемом шарнире 23. Шарнир установлен в электроизоляционной стойке 24 и в качестве элемента фиксации представлен винтом 25.
Для обеспечения автоколебательного движения баланса используется магнитоэлектрический привод, в который входит кроме магнитной системы баланса, где удобно видеть отмеченный выше магнитный зазор, бифилярная (намотанная в два провода) бескаркасная катушка 26, управляемая схемой формирования импульсов привода СФИП 27. Катушка 26 закреплена на стойке 23 с помощью накладки 28 и винтов 29. Схема формирования импульсов привода (фиг. 3) в простейшем случае представляет собой электронный ключ, на основе транзистора VT, в базовой цепи которого включена секция W0 бифилярной катушки, а в коллекторной - другая Wu. Для сбоя возникающей высокочастотной генерации за счет взаимоиндукции предусмотрена цепь отрицательной обратной связи на конденсаторе C. Элементы СФИП смонтированы методом навесного монтажа на боковой поверхности стойки 23 и соединяются кабелем 30 с электрическим разъемом 31. Разъем закреплен на плоскости Б корпуса, а кабель перед ним уложен в паз корпуса и залит компаундом.
Изложенная конструкция преобразователя представляет собой автономную сборочную единицу, что обеспечивает технологичность. В сборочную единицу входят все элементы, закрепленные на монтажной основе кронштейн 17 - стойка 24. Автономность преобразователя позволяет выставить симметричное положение катушки 26 в магнитном зазоре баланса 10, а поворотом шарнира 23 реализовать предварительное натяжение F0 растяжки 9 и проверить работу привода со схемой СФИП.
Учитывая избыточное давление потока измеряемого вещества с целью понижения дополнительной деформации разделительной мембраны в предлагаемом расходомере предусмотрено выравнивание давления по разные стороны мембраны 5, Эту функцию выполняет сильфон малой жесткости 32. Сильфон с помощью промежуточной резьбовой втулки 33 закреплен на корпусе 1. Такое конструктивное решение выравнивает давления в секции трубопровода, где находится лопасть 2, и в секции преобразователя, обьем последнего герметирован колпаком 34 с применением крепежных винтов 35.
Определим функцию преобразования расходомера. Под действием потока измеряемого вещества сверху вниз (ориентация чертежа) возникающая под действием гидродинамического давления потока сила R образует момент вращения M рычага 4
где l1 - плечо силы R - расстояние от точки подвеса лопасти до точки вращения центра мембраны;
здесь 
л - коэффициент сопротивления лопасти;
- плотность вещества потока;
V - скорость потока;
fл - площадь лопасти;
Q0 - объемный расход;
S - площадь трубопровода.
Момент вращения М преобразуется в частотный электрический сигнал преобразователем.
После предварительной юстировки собранного преобразователя круговая (циклическая) частота колебаний баланса составляет
где в числителе под радикалом жесткость растяжки на кручение, а в знаменателе момент инерции баланса относительно центральной оси - Ib. Обозначено в формуле (4):
b, s, l - соответственно, ширина, толщина сечения растяжки прямоугольного сечения и ее длина;
G - модуль сдвига материала растяжки;
F0 - сила предварительного натяжения растяжки.
Соответственно, собственная частота равна
После присоединения преобразователя к корпусу, при котором рычаг 4 входит в отверстие муфты 21, образуется измерительная цепь. В этой цепи происходит преобразование силы гидродинамического давления потока R (3) в частоту колебаний баланса.
При наличии расхода Q0 появляется сила R - формула (3) -гидродинамического сопротивления лопасти 2, за счет этой силы увеличивается натяжение растяжки 9 на величину Fизм.
Условие равновесия рычага 4
где F=F0+Fизм
l2 - плечо рычага 4 от точки вращения мембраны 5 до муфты 21. Очевидно по условию равновесия рычага 4
С учетом формул (2-5) получим текущее значение частоты f в зависимости от расхода Q0
Введем обозначения через первичные параметры
;
;
.
Тогда формула (8) примет вид
Формула (9) представляет собой функцию преобразования, т.е она устанавливает связь между измеряемым параметром Q0 и выходным параметром f.
Применяют предлагаемый лопастной расходомер либо в составе измерительно-вычислительного комплекса, либо в варианте автономного прибора. Во втором случае целесообразно дополнить расходомер электронным блоком, например на основе микроконтроллера, во флеш память которого «зашивается» функция преобразования (9).
Работает расходомер следующим образом. При появлении расхода Q0 возникает сила гидродинамического давления R (формула 3), действующая на лопасть 2. Эта сила рычагом 4 изменяет предварительное натяжение растяжки F0 на величину Fизм (формула 7), что приводит к изменению частоты выходного сигнала СФИП преобразователя. Это изменение частоты обрабатывается электронным блоком расходомера по формуле (9).
Заметим, что нижней границе диапазона измерения соответствует условие
а верхняя граница определится по механическим напряжениям в элементах кинематики, прежде всего в растяжке.
Таким образом, предлагаемая конструкция лопастного расходомера высокотехнологична на всех этапах жизненного цикла. Блочная конструкция позволяет вести проектирование и обработку гаммы расходомеров параллельно. Производственная технологичность реализуется простой формой деталей, широким применением типовых элементов - комплектующих, проката. В эксплуатации отсутствует необходимость обслуживания кинематических пар трения. Значение частоты выходного сигнала при отсутствии измеряемого потока служит критерием для очередной метрологической поверки. Частотный выходной сигнал квантуется с высокой точностью и надежностью, что упрощает последующее использование информации. Требования к стабильности электропитания минимальны.
1. Лопастной расходомер, содержащий корпус, образованный из двух сопряженных сильфоном секций, лопасть дисковой формы, преобразователь, установленный в корпусе на шарнире двуплечий рычаг, при этом лопасть дисковой формы установлена на его плече в одной секции корпуса, а преобразователь кинематически связан со вторым плечом в другой секции корпуса, отличающийся тем, что преобразователь выполнен в виде автоколебательной системы баланс-растяжка с магнитоэлектрическим приводом с бифилярной электрической катушкой и электронной схемой формирования импульсов привода, при этом один конец растяжки закреплён неподвижно на корпусе, а второй её конец закреплен на муфте, установленной на двуплечем рычаге.
2. Лопастной расходомер по п. 1, отличающийся тем, что шарнир двуплечего рычага выполнен в виде разделительной мембраны малой изгибной жесткости.
3. Лопастной расходомер по п. 1, отличающийся тем, что связь муфты с двуплечим рычагом выполнена с образованием зазора.
4. Лопастной расходомер по п. 1, отличающийся тем, что преобразователь снабжен рессорой в виде упругой балки, один конец которой закреплен в поворотном шарнире, имеющем фиксатор положения, а другой закреплен на муфте.
5. Лопастной расходомер по п. 1, отличающийся тем, что электронная схема формирования импульсов привода выполнена на основе биполярного транзистора с общим эмиттером, при этом одна секция бифилярной электрической катушки соединена с базой транзистора и общей шиной, а вторая - с коллектором транзистора и шиной питания, коллектор и база транзистора связаны конденсатором.
6. Лопастной расходомер по п. 1, отличающийся тем, что секция корпуса с преобразователем выполнена герметичной.
РИСУНКИ
