Струйный датчик расхода
Полезная модель относится к технике измерения расхода, в частности, к средствам измерения расхода газов или жидкостей. Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является расширение диапазона измерения расхода и обеспечение высокой точности измерения. Струйный датчик расхода состоит из струйного генератора колебаний 1 с использованием струйного дискретного элемента, включающего в себя сопло питания 2, рабочую камеру 3 с наклонными стенками 4 и 5, разделитель с дефлектором 6, сопла управления 7 и 8, приемные каналы 9 и 10, сливные каналы 11 и 12 и канал сброса 13. Сопла управления 7 и 8 соединены каналами обратной связи 14 и 15 с приемными каналами 9 и 10, а также пневмоэлектропреобразователь 16, подсоединенный к двум выходам генератора колебаний. Новым с струйном датчике расхода является выполнение проходного сечения сопла питания 2 прямоугольной формы и выбор соотношения размеров ширины, глубины сопла питания и длины рабочей камеры, удовлетворяющих выражению: 0,5<h/bn<2; 5<I э/bn<20, где b n - ширина сопла питания, мм; h - глубина сопла питания, мм; Iэ - длина рабочей камеры, мм.
Предложенная полезная модель относится к технике измерения расхода, в частности, к средствам измерения расхода газов или жидкостей.
Известен струйный частотный датчик расхода, содержащий струйные переключатели, сопла питания которых соединены с выходным отверстием, а дренажные полости - с выходным отверстием, выходные сопла каждого переключателя подключены к управляющим соплам последующего переключателя. К выходным соплам одного из переключателей подключен пневмоэлектропреобразователь (А.С. СССР №857714, Кл. G 01 F 1/48 1977 г.).
Недостатком известного струйного частотного датчика является существенная нелинейность характеристики из-за наличия отраженного от чувствительного элемента пневмоэлектропреобразователя пневматического сигнала, имеющего запаздывание, не зависящее от расхода от проходящей через датчик среды, и искажающего характеристику датчика. Кроме того, отбираемый пневматический сигнал, особенно на малых расходах измеряемой жидкости (газа), имеет малую амплитуду, вследствие чего датчик на малых расходах имеет низкую помехозащищенность, то есть низкую надежность. Все это препятствует широкому применению датчика.
Известен струйный расходомер. Состоящий из струйного генератора колебаний, содержащего входное сопло, рабочую камеру, установленный напротив сопла разделитель, два выходных канала, расположенных по разные стороны рабочей камеры, а также две симметричные цепи обратной связи, каждая из которых включает входную часть, расположенную в зоне разделителя, и выходную часть в виде сопла управления, и преобразователя давления в электрический сигнал. Одна точка отбора давления находится в сопле управления первой цепи обратной связи, а другая - на выходе второй цепи обратной связи (прототип - описание изобретения к авторскому свидетельству №1.081.421 от 06.01.83, МПК G 01 F 1/20).
Недостатком известного устройства является высокий нижний предел рабочих расходов, обусловленный тем, что работа струйного элемента построена на использовании эффекта притяжения струй к плоской стенке (эффекта Коанда), в соответствии с которым струя притягивается к стенке только при достаточно больших числах Рейнольдса (Re), что уменьшает диапазон измерения, не позволяющий измерять малые расходы.
Поэтому технической задачей на решение которой направлена полезная модель, является расширение диапазона измерения расхода и обеспечение высокой точности измерения.
Поставленная задача решается за счет того, что в струйном датчике расхода, содержащем струйный генератор колебаний с использованием одного или нескольких струйных дискретных элементов, который включает в
себя сопло питания, рабочую камеру, разделитель с дефлектором, два сливных канала, расположенные по разные стороны рабочей камеры, два сопла управления, расположенные симметрично соплу питания, два приемных канала и два канала обратной связи, соединяющие приемные каналы с соплами управления и пневмоэлектропреобразователь, подключенный к двум выходам генератора колебаний, проходное сечение сопла питания выполнено прямоугольной формы, ориентированное перпендикулярно направлению потока текучей среды, при этом соотношение размеров ширины, глубины сопла питания и длины рабочей камеры удовлетворяют выражениям:
0,5<h/bn<2;
5<Iэ/bn<20,
где bn, h - ширина и глубина сопла питания, мм 1э - длина рабочей камеры, мм
Струйный датчик расхода обладает низким порогом чувствительности, что позволяет измерять малые расходы газа и жидкости. Порог чувствительности этого датчика снижается (вихреобразование начинается при пониженных числах Re) и становится возможным построение низкорасходных струйных датчиков расхода с большими проходными сечениями.
Из анализа научно-технической и патентной литературы заявляемой совокупности конструктивных признаков не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию «новизна».
На фиг. изображен предлагаемый струйный датчик расхода.
Струйный датчик расхода состоит из струйного генератора колебаний 1 с использованием струйного дискретного элемента, включающего в себя сопло питания 2, рабочую камеру 3 с наклонными стенками 4 и 5, разделитель с дефлектором 6, сопла управления 7 и 8, приемные каналы 9 и 10, сливные каналы 11 и 12 и канал сброса расхода 13. Сопла управления 7 и 8 соединены каналами обратной связи 14 и 15 с приемными каналами 9 и 10, а также преобразователь пульсации давления в электрический сигнал -пневмоэлектропреобразователь 16, подсоединенный к двум выходам генератора колебаний.
Генератор колебаний может включать в себя несколько струйных дискретных элементов, последовательно соединенных между собой и выполненных на пластинах. При этом каналы обратной связи 14 и 15 одного элемента поступают в сопла управления другого и так далее, а с последнего элемента каналы обратной связи поступают на первый.
Измеряемая среда через сопло питания 2 в виде струи истекает в рабочую камеру 3. Под воздействием перепада давления, возникающего в результате эффекта Коанда и эффекта внутренней обратной связи, струя
примыкает к одной из стенок, например 4, течет вдоль нее и попадает в приемных канал 9. Давление в приемном канале 9 увеличивается по сравнению с давлением в приемном канале 10. В результате возникает волна повышения давления, которая, распространяясь со скоростью звука по каналу обратной связи 14, достигает сопла управления 7 и вызывает переброс струи к стенке 5. Спустя время, равное времени срабатывания элемента, струя достигает приемного канала 10 и возникает волна повышения давления, которая распространяясь со скоростью звука по каналу обратной связи 15, достигает сопла управления 8 и вызывает переброс струи в направлении стенки 4. При этом часть расхода, не попавшая в приемные каналы 9 и 10 через сливные каналы 11 и 12 поступает в канал сброса 13.
В результате устанавливаются устойчивые колебания струи с частотой пропорциональной объемному расходу и обратно пропорциональна градуировочному коэффициенту:
Где Q - объемный расход;
I э - длина рабочей камеры;
bn , h - ширина и глубина сопла;
А - градуировочный коэффициент.
Безразмерный градуировочный коэффициент является функцией следующих безразмерных комплексов:
Можно предположить, что существует значение Re min, такое, что при Re>Remin величина А не зависит от Re. Значение Remin определяется условиями на входе в сопло и находится экспериментально.
Где Vmin, Q min - минимальные скорость и расход в сопле;
- киниматическая вязкость
Их формулы (3) получим
Максимальный измеряемый расход определяется допустимым перепадом А Рдоп.
Где 
- коэффициент расхода сопла;
- плотность среды.
Из формулы (3), (4) и (5) получим выражение для диапазона измерений
Из формулы (6) следует, что диапазон измерений увеличивается с ростом bn, (поскольку основные размеры генератора колебаний пропорциональны b n, то а растет с увеличением типоразмера), а для данного типоразмера увеличивается с уменьшением Remin . Величина Remax путем введения дополнительных возмущений на входе может быть уменьшено при выполнении проходного сечения сопла питания прямоугольной формы, что позволяет значительно снизить минимальный расход.
С уменьшением относительной глубины h/bn уменьшается эжектирующая способность струи и, следовательно, уменьшается затухание скорости по длине струи, то есть увеличивается частота колебаний при прочих неизменных размерах.
С увеличением относительной длины камеры I э/bn увеличивается затухание скорости по длине струи относительно скорости истечения, что приводит к увеличению коэффициента А по сравнению с рассчитанным исходя из предположения о равенстве скорости в струе и скорости истечения.
В устройстве полезной модели соотношение размеров ширины и глубины входного сопла удовлетворяет выражению:
0,5<h/b n<2;
А соотношение размеров длины рабочей камеры и глубины входного сопла удовлетворяет выражению:
5<I э/bn<20,
Благодаря выбранным соотношениям размеров, струйный датчик расхода обладает низким порогом чувствительности, что позволяет измерять малые расходы газа и добиться, чтобы величина погрешности не превышала 1%, диапазон измерений 10:1.
Струйный датчик расхода, содержащий струйный генератор колебаний с использованием одного или нескольких струйных дискретных элементов, который включает в себя сопло питания, рабочую камеру, разделитель с дефлектором, два сливных канала, расположенные по разные стороны рабочей камеры, два сопла управления, расположенные симметрично соплу питания, два приемных канала и два канала обратной связи, соединяющие приемные каналы с соплами управления и пневмоэлектропреобразователь, подключенный к двум выходам генератора колебаний, отличающийся тем, что проходное сечение сопла питания выполнено прямоугольной формы, ориентированное перпендикулярно направлению потока текучей среды, при этом соотношение размеров ширины, глубины сопла питания и длины рабочей камеры удовлетворяют выражениям:
0,5<h/b n<2,0,
5,0<lэ/b n<20,0,
где bn - ширина сопла питания, мм;
h - глубина сопла питания, мм;
lэ - длина рабочей камеры, мм.
