Устройство для измерения расхода диэлектрических жидких сред
Заявленное техническое решение относится к области измерительной техники и может найти применение на предприятиях машиностроительного комплекса, в коммунальном хозяйстве, где необходимо измерение расхода текучих сред. Корпус выполнен в виде несущей пластины, а электроды закреплены одним концом к пластине на одном уровне, при этом измерительный электрод закреплен подвижно с возможностью его вращения вокруг закрепленного конца на угол меньше 90°. Подвижность измерительного электрода позволяет измерять расход жидкостей открытого канала или лотка с различной диэлектрической проницаемостью. На рабочий электрод подают напряжение питания. Увеличение расхода жидкости приводит к снижению наведенного потенциала на измерительном электроде. Положительным эффектом при осуществлении заявляемого технического решения будет расширение технологических возможностей конструкции и увеличение чувствительности преобразователя расхода диэлектрических жидких сред в открытых каналах и лотках. 6 ил.
Заявленное техническое решение относится к области измерительной техники и может найти применение на предприятиях машиностроительного комплекса, в коммунальном хозяйстве, где необходимо измерение расхода текучих сред. В частности, устройство может быть применено в автоматизированных системах управления при обработке металлов резанием, в системах учета количества сточных вод, экологического мониторинга канализационных систем. Устройство может быть использовано для измерения расхода различных сильнополярных жидкостей, таких как: питьевая вода, очищенная вода, этиловый спирт, смазочно-охлаждающие жидкости в открытых искусственных каналах типа желобов, лотков произвольного профиля.
Известен счетчик расхода потока жидкости для открытых каналов (а.с. СССР 
78283, кл. 42 е 23, опубликовано 31.01.1950 г.), который включает в себя следящий за уровнем жидкости поплавок, вращающий шкив, взаимодействующий с регистрирующим и указывающим механизмами. Принцип измерения расхода основан на зависимости расхода жидкости в каналах от высоты уровня жидкости в канале.
Недостатками такого прибора является увеличение погрешности измерений при изменении плотности измеряемой среды, при отложении осадка на поплавок, а так же ограничение по температуре измеряемой жидкой среды.
Известно также устройство для измерения объемного расхода жидкости в безнапорном канале (RU, патент 2139503, C1, МПК 6 G01F 1/66, опубликовано 10.10.1999 г.), которое содержит измеритель скорости жидкости, измеритель уровня жидкости в открытом канале, вычислитель и индикатор. Измеритель скорости выполнен в виде активного локационного датчика, содержит пьезокерамический излучатель и пьезокерамический приемник излучения и снабжен жестко связанным с его корпусом узлом регулирования диаграммы направленности. Измеритель уровня жидкости содержит пьезокерамический датчик. Прибор осуществляет бесконтактный метод измерения.
Недостатком данного устройства является существенное влияние на погрешность измерения наличие на поверхности жидкости пены и волн, вплоть до невозможности измерения.
Перечисленные выше аналоги обладают недостаточной точностью измерений жидкой среды в открытых каналах, за счет используемого типа чувствительного элемента и методов измерения.
Наиболее близким к предполагаемому решению является устройство для измерения расхода жидких сред (RU, патент 2130590, C1, МПК 6 G01F 1/56, опубликовано 20.05.1999 г.), состоящий из металлического корпуса, рабочего и измерительного электродов, образующие с его внутренними боковыми поверхностями проточную часть, изолирующие втулки, источник питания, и вторичный прибор. Этот датчик расхода обладает малой инерционностью, поскольку процесс поляризации жидкости происходит за 10-12 с.
Основным недостатком прототипа является сложность его применения в открытых каналах, низкая технологичность и чувствительность, обусловленные ограничением проточной части стенками корпуса, большие габариты и вес.
Задачей полезной модели является - увеличение чувствительности и расширение технологических возможностей конструкции для измерения расхода диэлектрических сред в открытых каналах и лотках.
Поставленная задача достигается тем, что устройство для измерения расхода жидких сред содержит закрепленные на корпусе из диэлектрического материала рабочий и измерительный электроды, низковольтный источник питания, подключенный к рабочему электроду и измерительный прибор, подключенный к измерительному электроду. Новым является то, что корпус выполнен в виде несущей пластины, а электроды закреплены одним концом к пластине на одном уровне, при этом измерительный электрод закреплен подвижно с возможностью его вращения вокруг закрепленного конца на угол меньше 90%.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами, на фиг.1 представлен общий вид устройства для измерения расхода; на фиг.2 - показан вид сбоку на устройство для измерения расхода; на фиг.3 - представлен вид сверху на устройство для измерения расхода; на фиг.4 -электрическая схема подключения устройства при параллельно расположенных электродах; на фиг.5 - электрическая схема подключения устройства при расположенных под углом электродах; на фиг.6 - статическая характеристика устройства.
где: 1 - корпус;
2 - измерительный электрод;
3 - рабочий электрод;
4 - клеммы;
5 - крепежные гайки;
6 - шайбы;
7 - болты;
8 - измерительный прибор;
9 - источник напряжения;
Устройство для измерения расхода диэлектрических жидких сред в открытых каналах, содержит корпус 1 (фиг.1, 2, 3), подвижный измерительный электрод 2 (фиг.1, 3, 4, 5), рабочий электрод 3 (фиг.1, 3, 4, 5), клеммы 4 (фиг.1, 3), крепежные гайки 5 (фиг.1, 2, 3), шайбы 6 (фиг.1, 2, 3), болты (М8) 7 (фиг.2, 3). Корпус 1 может быть выполнен в виде несущей пластины размером 150×30×1,5 (мм) из диэлектрического материала, например, оргстекло. Два плоскопараллельных электрода размером примерно 60×20×1 (мм) выполнены из алюминия или меди. Для крепления конструкции в планке и в электродах предварительно просверлены отверстия (диаметром 8 мм). Электроды закреплены одним концом к пластине на одном уровне с помощью соединительных деталей: крепежных гаек 5, шайб 6, болтов 7. Рабочий электрод 3 подключен к источнику напряжения 9 (фиг.4, 5). Измерительный прибор 8 (фиг.4, 5), которым является миллиамперметр, подключенный к измерительному электроду 2, заземлен. Измерительный электрод 2 закреплен подвижно, с возможностью его вращения вокруг закрепленного конца на угол меньше 90°. Регулирование угла осуществляется в процессе работы «ручным способом» до погружения устройства в жидкость, с помощью крепежной гайки 5 измерительного электрода 2.
Последовательность сборки конструкции осуществляется следующим образом. Болты 7 (фиг.2, 3) совмещают с отверстиями в планке корпуса 1 (фиг.1, 2, 3). На стержни болтов 7 устанавливаются шайбы 6, с целью увеличения прижимной поверхности и для снижения концентрации напряжения в местах соприкосновения головки болта и гайки 5 с соединяемыми элементами конструкции. Далее со стержнями болтов 7 соединяются измерительный 2 и рабочий 3 электроды, клеммы 4 для подключения к измерительному прибору 8 и к источнику напряжения 9 (фиг.4, 5) соответственно. Сборка затягивается крепежными гайками 5.
Работа устройства для измерения расхода осуществляется следующим образом: устройство помещается в жидкость открытого канала, перпендикулярно потоку, на глубину не более 40 мм, чтобы только электроды находились в измеряемой жидкости. От источника управляющего напряжения Uу 9 (фиг.4, 5) на рабочий электрод 3 подают напряжение порядка 12 В.
Во время проведения измерений расхода жидкости измерительный электрод 2 неподвижен. Он может располагаться параллельно потоку жидкости (фиг.4) или под углом (фиг.5). Если необходимо изменить угол измерительного электрода 2, то необходимо соблюдать технику безопасности. Для этого отключают источник напряжения 9. Конструкцию с электродами (устройство) вынимают из жидкости. Ослабляют крепежную гайку 5 и поворачивают измерительный электрод 2 на требуемый угол меньше 90°. Далее затягивают крепежную гайку 5, погружают устройство в жидкость, включают источник напряжения 9 и снимают показания тока.
Под действием внешнего электрического поля жидкость поляризуется, молекулы диэлектрика будут ориентироваться вдоль силовых линий поля, создавая при этом внутреннее поле, которое направлено противоположно внешнему полю и ослабляет его. При поляризации диэлектрика его результирующий электрический момент становится отличным от нуля.
Наведенный потенциал на измерительном электроде 2 обусловлен не только напряженностью электростатического поля и скоростью течения жидкости, но и градиентом напряженности электростатического поля и градиентом скорости движения потока жидкости. Линии градиента совпадают с линиями электрических сил, или силовыми линиями, которые характеризуют распределение энергии в системе. Как известно, в местах наибольшего искривления силовых линий электростатического поля (например, на краях электродов) наблюдается наибольший градиент электростатического поля. Увеличение градиента скорости течения жидкости достигается за счет формы проточной части, образованной подвижным измерительным 2 и рабочим электродами 3 под заданным углом (принцип регулирования угла описан выше), и внутренней стенки корпуса 1, что приводит к увеличению чувствительности преобразователя расхода. Наведенный потенциал на измерительном 2 электроде за счет тока поляризации обусловлен электрическим полем в области рабочего электрода 3.
При изменении расхода (например, при увеличении расхода жидкости) наведенный потенциал на измерительном электроде 2 уменьшается, так как при этом будет увеличиваться плотность связанных зарядов, которая меняется пропорционально расходу жидкости. При этом будет увеличиваться внутреннее поле поляризованного диэлектрика, и наведенный потенциал на измерительном электроде 2 будет уменьшаться.
Подвижность измерительного электрода 2 позволяет использовать его для измерения расхода жидкостей с различной диэлектрической проницаемостью (спирт, вода, глицерин). Этиловый спирт, глицерин, вода являются представителями сильнополярных веществ, диэлектрическая проницаемость которых составляет 24, 40, 81 соответственно. Чувствительность преобразователя расхода изменяется за счет варьирования угла наклона измерительного электрода 2 относительно оси корпуса 1 и расстояния между электродами.
Задача обеспечения статической точности может быть решена при выявлении параметров, наиболее сильно влияющих на основной показатель качества - параметр оптимизации (чувствительность или коэффициент усиления устройства).
Коэффициент чувствительности У представляет собой отношение изменения полного тока 
I к изменению расхода воды Q и вычисляется по формуле:
На фиг.6 показана статическая характеристика устройства для измерения расхода при увеличении расхода Q от 0 до 41,7 см3/с, при напряжении U 12 В на рабочем электроде 3. Измеряемая среда - питьевая водопроводная вода.
Крутизна статической характеристики равна 19%:
Положительным эффектом при осуществлении заявляемого технического решения будет расширение технологических возможностей конструкции и увеличение чувствительности преобразователя расхода диэлектрических сред в открытых каналах и лотках. Корпус, выполненный в виде несущей пластины из оргстекла, имеет малый вес и габариты, что снижает стоимость преобразователя расхода.
Устройство для измерения расхода жидких сред, содержащее закрепленные на корпусе из диэлектрического материала рабочий и измерительный электроды, низковольтный источник питания, подключенный к рабочему электроду и измерительный прибор, подключенный к измерительному электроду, отличающееся тем, что корпус выполнен в виде несущей пластины, а электроды закреплены одним концом к пластине на одном уровне, при этом измерительный электрод закреплен подвижно с возможностью его вращения вокруг закрепленного конца на угол меньше 90°.
