Расходомер для жидкости
Изобретение предназначено для измерения расхода воды в домашних условиях. Перед щелевым соплом расходомера, формирующим струю жидкости, осциллирующую за счет эффекта Коанда, на входе расположенного перед соплом подводящего конфузорного канала установлен формирователь потока для создания турбулентности. Формирователь выполнен в виде диска с отверстиями разного диаметра, либо со щелевыми отверстиями, разделенными вытянутыми перемычками. При ламинарном и переходном режимах течения на входе в расходомер формирователь потока спрямляет профиль распределения скоростей. Изобретение обеспечивает линейность характеристики бытового расходомера в широком диапазоне режимов течения и соответственно расширение рабочего диапазона измерения в сторону расходов с малым числом Рейнольдса. 8 з.п.ф-лы, 7 ил.
Изобретение относится к устройству для измерения расхода воды (расходомеру), который выполнен в виде расходомера с обратной связью и колеблющейся струей и который используется для измерения расхода воды в домашних условиях.
Такой прибор описан, в частности, в заявке ЕР-А2-0381344. Описанный в этой заявке расходомер имеет конфузорное входное отверстие, проходящее к формирующему струю соплу, выполненному в виде вытянутой щели. Вытекающая из сопла струя воды попадает в главный диффузор, который разделен на две части установленным в нем разделителем. У противоположных боковых сторон диффузора имеются каналы обратной связи, по которым вода возвращается в то место, где струя входит в главный диффузор. В главном диффузоре струя жидкости периодически смещается в поперечном направлении то к одной стенке диффузора, то к другой с частотой, которая зависит от расхода жидкости. Измерение частоты таких колебаний позволяет измерить расход протекающей через расходомер жидкости. В описанном в заявке ЕР-А2-0381344 расходомере для измерения частоты создается магнитное поле, пересекающее по крайней мере один из каналов, и измеряется частота возникающей разницы потенциалов, образующейся в направлении, поперечном направлению потока жидкости и направлению магнитного поля. Расходомер с колеблющейся струей можно снабдить схемой линеаризации и температурной компенсации, которая при своей потенциальной сложности имеет ограниченное применение из-за ограниченных возможностей маломощного микропроцессора, в который заложен соответствующий алгоритм. Именно эта, а также и ряд других причин определяют необходимость в создании расходомера с колеблющейся струей жидкости с линейной в максимально возможной степени кривой изменения коэффициента измерения, у которого изменения коэффициента измерения расхода носят скорее характер плавных переходов, а не резких скачков. В расходомере, предназначенном для работы на воде, достичь этого достаточно трудно. Для получения необходимой кривой изменения коэффициента измерения бытового расходомера воды приходится учитывать, что такой расходомер должен работать в широком диапазоне режимов, включая полностью ламинарный режим течения при низких расходах воды, переходные режимы и полностью турбулентный режим при высоких расходах воды. Профиль скоростей в потоке протекающей по трубе жидкости, который изменяется при изменении режима течения, влияет на кривую изменения коэффициента измерения расходомера с колеблющейся струей за счет изменения параметров струи и общего распределения местных скоростей во внутренней полости расходомера. В результате изменения режима течения кривая изменения коэффициента измерения расходомера с колеблющейся струей становится нелинейной с резкими изменениями коэффициента измерения в рабочем диапазоне измеряемых расходов. Известно применение специальных устройств, улучшающих условия течения и структуру потока жидкости в трубах до ее попадания в расходомер. К подобным устройствам относятся устройства двух основных типов, которые обычно называют формирователями потока и выравнивателями потока. Формирователи потока обычно используются в магистралях с полностью турбулентным течением и предназначены для получения исходного нормального (плоского) профиля распределения скоростей в потоке протекающей в подводящей трубе жидкости после возникновения в нем возмущений. Такие устройства устанавливаются на определенном расстоянии до расходомера (обычно на расстоянии от 5D до 10D от входа в расходомер, где D означает диаметр трубы), формируя в потоке жидкости до ее попадания в расходомер нормальное распределение скоростей и первоначальный уровень турбулентности. Такие устройства обычно используются с расходомерами, которые работают только при высоких числах Рейнольдса (т.е. в условиях турбулентного течения). К устройствам другого типа, которые также влияют на характер течения, относятся так называемые выравниватели потока. Выравниватели потока устраняют образующийся в потоке вихрь и используются в тех случаях, когда длина прямого участка трубы, расположенного за коленом, недостаточна для стабилизации потока. При этом однако устранение возникающего в колене вихря не сопровождается получением симметричного распределения скоростей в потоке жидкости на входе в расходомер. По многим соображениям целесообразно, чтобы расходомеры работали только в одном режиме течения, в частности в установившемся режиме полностью турбулентного течения, при создании которого можно с успехом использовать известные формирователи потока. Однако для создания в бытовых расходомерах такого режима течения, при котором они имели бы необходимую кривую изменения коэффициента измерения, необходимо учитывать, что они должны работать в широком диапазоне расходов и соответственно режимов течения, начиная от полностью турбулентного и заканчивая полностью ламинарным, включая переходный режим. Известные формирователи потока и обычные способы их использования не позволяют решить проблему линеаризации кривой изменения коэффициента измерения расходомера, работающего в таком широком диапазоне режимов течения. Для небольших расходов характерна переменная скорость жидкости по сечению трубы, что связано с влиянием сил трения, возникающих на стенках трубы (при этом распределение скорости носит параболический характер), и по мере увеличения скорости, сопровождающегося ростом турбулентности, поток при достаточно больших числах Рейнольдса становится полностью турбулентным и характеризуется плоским распределением скоростей по сечению трубы. Переход от турбулентного течения к ламинарному на входе в расходомер существенно изменяет характер течения колеблющейся струи, в результате чего одновременно с изменением числа Рейнольдса резко меняется и число Струхаля, а кривая изменения коэффициента измерения расходомера становится существенно нелинейной. Задачей настоящего изобретения является создание расходомера с колеблющейся струей, обладающего по существу линейной кривой изменения коэффициента измерения в широком диапазоне условий течения на входе в расходомер, включая режим полностью турбулентного течения и режимы переходного и ламинарного течения при небольших числах Рейнольдса. В изобретении, в соответствии с одним из его аспектов, предлагается расходомер с колеблющейся струей, в котором струя жидкости, вытекающая из щелевого формирующего струю сопла, совершает колебания в плоскости, перпендикулярной плоскости сопла, с частотой, измерение которой позволяет определить расход протекающей через расходомер жидкости, и в котором имеется устройство для формирования потока жидкости, которое расположено перед формирующим струю жидкости соплом и которое при ламинарном и переходном режимах течения на входе формирует плоский поток с равномерным распределением скоростей и создает в нем турбулентность, которая остается в потоке жидкости, протекающей через сопло. Было установлено, что создание возмущений в потоке жидкости на входе в формирующее струю жидкости сопло, которые выравнивают распределение скоростей и вносят в поток турбулентность, приводит к тому, что течение в сопле становится полностью турбулентным, в результате чего линейность кривой изменения коэффициента измерения расходомера (во всем диапазоне чисел Рейнольдса, начиная от небольших) существенно улучшается. Было установлено также, что формирование такого течения на входе в сопло обеспечивает возможность работы расходомера при меньших в сравнении с обычными расходомерами расходах и сохраняет режим колебаний струи при уменьшении расхода, что, как очевидно, позволяет расширить рабочий диапазон расходомера. Еще одним преимуществом предлагаемого расходомера является снижение ограничений на его установку, поскольку используемое в нем формирующее поток устройство обеспечивает равномерный характер течения на входе в формирующее струю сопло несмотря на возможные изменения характера течения, связанные с наличием возмущений, вносимых ранее в поток поступающей в расходомер жидкости. Устройство для формирования потока предпочтительно расположить в непосредственной близости или внутри подводящего канала, который ведет к соплу для формирования струи и имеет форму конфузора, сужающегося в плоскостях, перпендикулярных плоскости этого сопла. Имеющий такую форму подводящий канал усиливает создаваемый формирователем потока эффект турбулентности и способствует тому, что в формирующем струю сопле создается полностью турбулентное течение. В одном из предпочтительных вариантов выполнения предлагаемого в изобретении расходомера формирователь потока имеет несколько отверстий, которые в направлении, поперечном основному направлению течения жидкости, расположены на некотором расстоянии друг от друга и через которые проходит весь поток протекающей через расходомер жидкости. Все отверстия предпочтительно располагать в плоскости, перпендикулярной направлению движения потока воды, и выполнить их предпочтительно в виде группы расположенных в центре относительно небольших отверстий и расположенных вокруг них по окружности относительно крупных отверстий. Формирователь потока можно выполнить в виде диска с большим количеством отверстий, образующего перегородку в потоке протекающей через расходомер жидкости. В другом предпочтительном варианте формирователь имеет прямые удлиненные перемычки, которые в направлении, поперечном основному направлению течения жидкости, расположены на некотором расстоянии друг от друга и разделены удлиненными каналами, через которые проходит поступающая в расходомер жидкость. Каждый канал для прохода жидкости можно выполнить в виде ряда отдельных отверстий или в виде одной удлиненной щели. В любом случае вытянутые перемычки и каналы для прохода жидкости предпочтительно располагать в плоскостях, параллельных плоскости формирующего струю сопла. И в этом варианте формирователь можно выполнить в виде диска с большим количеством отверстий, образующего перегородку в потоке протекающей через расходомер жидкости. Ниже изобретение более подробно поясняется на примерах конструктивного выполнения расходомера и формирователей потока жидкости со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано: фиг. 1 - изображение общего вида со стороны входного конца предлагаемого расходомера; фиг.2 - изображение предлагаемого расходомера, вид сверху; фиг.3 - кривая изменения коэффициента измерения расходомера, не имеющего на входе формирователя потока; фиг. 4 - вид спереди дискового формирователя потока с отверстиями, выполненными по первому варианту изобретения; фиг. 5 - кривая изменения коэффициента измерения расходомера с дисковым формирователем потока по фиг.4; фиг. 6 - изображение дискового формирователя щелевого типа, выполненного в соответствии со вторым вариантом изобретения; фиг. 7 - кривая изменения коэффициента измерения расходомера с дисковым формирователем щелевого типа по фиг.6. В целом расходомер с колеблющейся струей, предназначенный для измерения в домашних условиях расхода воды, показан на фиг.1 и 2. В этом расходомере, выполненном по типу расходомера с колеблющейся струей и обратной связью, имеется конфузорный входной канал 1, который сообщается с вытянутым формирующим струю соплом 2 (это сопло имеет форму щели, вытянутой в направлении, перпендикулярном плоскости фиг. 2), разделяющий стержень 3, две притягивающие диффузорные стенки 4 и два канала 5 обратной связи. Расходомер такой конструкции описан в заявке ЕР-А-0381344. Вода, которая поступает в расходомер в направлении, показанном на фиг.2 стрелкой, попадает во входной канал 1 через установленный на входе в него дисковый формирователь 6, который выполнен в виде диска с большим количеством сквозных отверстий. Конфузорный входной канал 1 и сопло 2 формируют внутри расходомера струю жидкости. Входной канал выполнен конфузорным только в плоскостях, перпендикулярных плоскости сопла. Притягивающие стенки 4 за счет эффекта Коанда (Coanda) создают приложенные к струе усилия, под действием которых струя изгибается в сторону одной из стенок и течет вдоль нее. Стенка, к которой притягивается струя, определяется случайными флуктуациями в струе, которые усиливаются за счет эффекта Коанда. Струя движется вдоль стенки 4, проходит с одной стороны мимо разделяющего стержня 3 и попадает в выходное отверстие 7 расходомера. При отклонении потока воды в сторону одной из притягивающих стенок некоторая часть основного потока воды попадает в расположенный у этой стенки канал 5 обратной связи и вытекает из этого канала рядом с выходом формирующего струю сопла под прямым углом к оси струи. Вода, протекающая по каналу обратной связи, уносится воздушным пузырем, образующимся между формирующим струю соплом и стенкой диффузора. При увеличении размеров воздушного пузыря струя воды отклоняется от упомянутой выше притягивающей стенки и движется в сторону разделяющего стержня 3, который разрушает воздушный пузырь и направляет струю к противоположной притягивающей стенке. Описанное выше течение воды по каналу обратной связи повторяется и при движении воды в противоположном канале 5 обратной связи. В результате в расходомере создается режим устойчивых поперечных колебаний струи воды, частота которых зависит от расхода воды. Измерение частоты колебаний струи воды в расходомере осуществляется с использованием электромагнитной индукции. Внутри притягивающих стенок 4 расположены два постоянных магнита 8, которые создают перпендикулярное струе воды магнитное поле, под действием которого в жидкости возникает ЭДС (электродвижущаяся сила). Возникающее в жидкости напряжение измеряется изготовленными из нержавеющей проволоки электродами 9, установленными в верхней части рабочей камеры расходомера по обе стороны от разделяющего стержня 3. Эти датчики не требуют специального питания и потребляют мощность, которая создается за счет электромагнитной индукции. Поэтому мощность, потребляемая расходомером, расходуется только на усиление и обработку вырабатываемого датчиками сигнала. Зависимость коэффициента измерения (объемный расход на импульс) от числа Рейнольдса для расходомера, не содержащего дискового формирователя б, показана на фиг.3. При числах Рейнольдса, больших 2500, эта кривая имеет сравнительно плоский вид, а ее линейность лежит в пределах


Формула изобретения
1. Расходомер с колеблющейся струей, в котором струя жидкости, вытекающая из вытянутого формирующего струю сопла (2), совершает колебания в плоскости, перпендикулярной плоскости сопла, с частотой, которая измеряется и служит показателем расхода протекающей через расходомер жидкости, и который содержит формирователь (6) потока, выполненный в виде перегородки необтекаемой формы, которая расположена перед формирующим струю соплом и эффективно воздействует на поток жидкости, поступающей в расходомер в ламинарном и переходном режимах течения, делая более плоским профиль распределения скоростей в потоке жидкости и создавая в нем турбулентность, которая обеспечивает турбулентный характер течения жидкости, протекающей через сопло. 2. Расходомер по п. 1, в котором формирователь (6) содержит несколько отверстий (12), которые расположены поперечно к основному направлению потока на некотором расстоянии друг от друга и через которые протекает поток поступающей в расходомер жидкости. 3. Расходомер по п.2, в котором формирователь (6) имеет группу расположенных в центре относительно небольших отверстий (10), вокруг которых по окружности расположены относительно большие отверстия (11). 4. Расходомер по п.1, в котором формирователь (6) имеет вытянутые перемычки (13) необтекаемой формы, которые расположены поперечно к основному направлению потока на некотором расстоянии друг от друга и разделены удлиненными каналами (12), через которые протекает поток поступающей в расходомер жидкости. 5. Расходомер по п.4, в котором каждый удлиненный канал для прохода жидкости состоит из ряда отдельных отверстий. 6. Расходомер по п.4, в котором каждый удлиненный канал для прохода жидкости выполнен в виде вытянутой щели (12). 7. Расходомер по п.4, в котором вытянутые перемычки (13) и удлиненные каналы (12) лежат в плоскостях, параллельных плоскости формирующего струю сопла (2). 8. Расходомер по любому из пп.1-7, в котором перегородка выполнена в виде диска с большим количеством отверстий. 9. Расходомер по любому из пп.1-8, в котором формирователь (6) сообщается с формирующим струю соплом (2) входным каналом (1), который в направлении движения потока жидкости выполнен конфузорным в плоскостях, перпендикулярных плоскости сопла.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7