Ротаметр
Владельцы патента RU 2265806:
Астраханский Государственный Технический Университет (RU)
Изобретение предназначено для измерения расхода потока среды. Ротаметр содержит коническую трубку со шкалой, немагнитный поплавок тарельчатого или дискового типа с постоянным магнитом. Поплавок имеет возможность перемещения по центральной направляющей в виде тонкостенной ферромагнитной трубки, внутри которой размещен токопровод, подключенный к генератору импульсов тока возбуждения. Концы ферромагнитной трубки помещены в демпферы, верхний из которых укреплен на корпусе ротаметра. Со стороны оставленного свободным нижнего демпфера, снабженного грузом, у центральной направляющей размещен элемент считывания в виде преобразователя магнитного поля (например, в виде индукционной катушки). Элемент считывания через усилитель-формирователь подключен к первому входу блока выделения временного интервала, ко второму входу которого подключен выход генератора импульсов. Изобретение повышает точность измерения в условиях изменения температуры потока. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.
Измерение относится к автоматике и измерительной технике, в частности к устройствам измерения расхода приборами постоянного перепада давления.
Известен ротаметр с дистанционной передачей показаний, содержащий коническую трубку, поплавок неустойчивого (тарельчатого или дискового) типа, который перемещается по неподвижной направляющей, элемент вторичного преобразования - постоянный магнит, установленный в поплавке, элемент считывания, который размещен на корпусе ротаметра и взаимодействует с постоянным магнитом [Балдин А.А., Бошняк Л.Л., Соловский В.М. Ротаметры. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отделение, 1983. - 200 с.].
Недостатком известного устройства является низкая точность измерения расхода по месту из-за малого хода поплавка по сравнению с ротаметрами с местной шкалой.
Наиболее близким техническим решением к изобретению является ротаметр с дистанционной передачей, содержащий поплавок, в верхней части которого нарезаны косые канавки, а внутри его, ассиметрично относительно оси вращения, размещен постоянный магнит, намагниченный перпендикулярно оси ротаметра, выходную треугольную обмотку, расположенную на конической трубке и взаимодействующую с полем постоянного магнита, усилитель-формирователь, блоки выделения временных интервалов разнополярных и однополярных импульсов и схему обработки сигналов [а.с. СССР №1315809, кл. G 01 F 1/22, 1/56, 1987 г.].
Однако ротаметр имеет низкую точность измерения расхода по месту из-за малого хода поплавка. Последнее объясняется тем, что короткий постоянный магнит имеет значительные потоки рассеяния, вследствие чего форма импульсов ЭДС, наводимая, вращающимся вместе с поплавком, постоянным магнитом в выходной треугольной обмотке, размыта, в результате чего снижается точность преобразования при формировании временных интервалов.
Техническая задача - создание ротаметра с дистанционной передачей, который обеспечивает повышенную точность измерения расхода по месту.
Технический результат - повышение точности измерения расхода по месту ротаметрами с дистанционной передачей за счет увеличения хода ротаметра.
Для этого ротаметр, содержащий трубку переменного сечения с местной шкалой, пустотельный немагнитный поплавок неустойчивого типа с осевой симметрией, неподвижную центральную направляющую, которая размещена соосно с трубкой переменного сечения, постоянный магнит, размещенный внутри поплавка, неподвижный элемент считывания, усилитель-формирователь импульсов считывания, вход которого соединен с выходом элемента считывания, блок выделения временного интервала, первый вход которого соединен с выходом усилителя-формирователя импульсов считывания, оснащен генератором импульсов тока возбуждения, а неподвижная центральная направляющая выполнена в виде тонкостенной ферромагнитной трубки, концы которой помещены в демпферы, причем верхний демпфер укреплен неподвижно на корпусе ротаметра, а нижний вместе с размещенным на нем грузом оставлен свободным, при этом внутри ферромагнитной трубки и соосно с ней размещен токопровод, электрически изолированный от ферромагнитной трубки, причем выход генератора импульсов тока возбуждения подсоединен к токопроводу и ко второму входу блока выделения временного интервала, а элемент считывания размещен у неподвижной центральной направляющей со стороны нижнего демпфера, причем постоянный магнит, ось симметрии которого совпадает с осью симметрии поплавка и ферромагнитной трубки, выполнен цилиндрическим, кольцевым и намагничен по образующей, причем температурный коэффициент модуля сдвига материала ферромагнитной трубки в три раза больше температурного коэффициента линейного расширения его.
В ротаметре в качестве элемента считывания применен преобразователь магнитного поля.
Кроме того, в ротаметре в качестве преобразователя магнитного поля применен обратный магнитострикционный преобразователь крутильных колебаний.
Наконец, в ротаметре в качестве преобразователя магнитного поля применен магнитострикционный преобразователь продольных колебаний.
На чертеже представлена схема ротаметра.
Ротаметр содержит трубку переменного сечения 1 с местной шкалой 2, крышки 1а и 1б, неподвижную центральную направляющую, которая выполнена в виде тонкостенной ферромагнитной трубки 3, размещенной внутри трубки переменного сечения соосно с ней, причем концы ферромагнитной трубки помещены в демпферы - верхний 5 укреплен неподвижно, а нижний 5а вместе с грузом 9 оставлен свободным, токопровод 4, размещенный внутри ферромагнитной трубки соосно с ней и электрически изолированной от последней, пустотелый немагнитный поплавок 6 неустойчивого типа, внутри которого размещен цилиндрический кольцевой, намагниченный по образующей, постоянный магнит 7, ось симметрии которого совпадает с осью симметрии поплавка и ферромагнитной трубки, неподвижный элемент считывания 8, размещенный у центральной направляющей со стороны нижнего демпфера, генератор импульсов тока возбуждения 10, усилитель-формирователь импульсов считывания 11 и блок выделения временного интервала 12, причем выход генератора импульсов тока возбуждения подсоединен к токопроводу и ко второму входу блока выделения временного интервала 12, к первому входу подсоединен выход усилителя-формирователя импульсов считывания 11, вход которого соединен с выходом элемента считывания 8, причем температурный коэффициент модуля сдвига материала ферромагнитной трубки в три раза больше температурного коэффициента его линейного расширения.
Длина центральной направляющей между демпферами, координаты высоты подъема поплавка - максимальная и текущая соответственно равны L, Нm и Н. Расстояние между координатой Н=0 и элементом считывания равно Н0 (H0=const).
Трубка переменного сечения 1 с местной шкалой 2 и поплавок 6 с неподвижной центральной направляющей 3 образуют преобразователь расхода в перемещение. Ферромагнитная трубка 3 с токопроводом 4, поплавок 6 с постоянным магнитом 7 и элемент считывания 8 образуют магнитострикционный преобразователь перемещения во временной интервал.
Температурные коэффициенты модуля сдвига αG и температурный коэффициент линейного расширения αL материала ферромагнитной трубки связаны соотношением
Устройство работает следующим образом.
По команде «запуск» на выходе формирователя 10 импульсов тока возбуждения возникают импульсы тока возбуждения, период повторения которых равен
Импульс тока возбуждения, во-первых, запускает блок 12 выделения временного интервала, и, во-вторых, в ферромагнитной трубке 3 под постоянным магнитом 7 возбуждает крутильную волну механического возбуждения (прямой эффект Видемана), которая распространяется по тонкостенной ферромагнитной трубке от места возникновения вниз и вверх со скоростью Vk.
где G и ρ соответственно модуль сдвига и плотность материала ферромагнитной трубки.
Крутильная волна механического напряжения, распространяющаяся в направлении элемента 8 считывания, через промежуток времени
наводит в последнем импульс ЭДС. Распространяясь далее, волна механического напряжения, достигнув демпфера 5а, затухает. Крутильная волна, которая распространяется вверх от места возбуждения, доходит до демпфера 5, где также затухает.
Импульс ЭДС, наведенной в элементе 8, после усиления и формирования усилителем-формирователем 11 импульсов считывания в виде импульса напряжения поступает на второй вход блока 12 формирования временного интервала, в результате чего на выходе последнего формируется импульс напряжения, длительностью t2-t1.
Известно, что статическая характеристика ротаметра с местной шкалой имеет вид:
где α - коэффициент расхода, зависящий от формы трубки переменного сечения, геометрических особенностей канала потока в зоне поплавка, характера и режима течения потока. Обычно ротаметры конструируют так, что α=const.
Fk - площадь кольцевого отверстия между стенками конической трубки и телом поплавка - функция положения поплавка. Для конической трубки функция положения поплавка линейная, т.е. пропорциональна высоте его подъема Н (α1=const).
Тогда, с учетом (4) уравнение ротаметра имеет вид:
где:
Но - постоянная, назначается при проектировании ротаметра;
a=a*α1/Vk;
b=α*α1*Н0/Vk.
Таким образом, интервал времени (t2-t1) однозначно определяет текущее положение Н поплавка и, следовательно, значение расхода.
Далее работа устройства повторяется.
При изменении температуры потока изменяется длина ферромагнитной трубки, поэтому нижний конец ее с демпфером 5а и с грузом оставлен свободным.
Так как модуль сдвига G и плотность ρ материала ферромагнитной трубки при изменении температуры потока θ изменяются, то скорость крутильной волны в ферромагнитной трубке будет также зависеть от температуры потока.
Если в качестве материала ферромагнитной трубки выбрать такой, для которого справедливо условие (1) (такими материалами могут быть элинвары, например 42НХТЮ, 44НХМТ и т.п.), то скорость крутильной волны будет неизменной при изменении температуры потока на величину Аθ от нормальной
В этом случае показания ротаметра (выражение (7)) не зависят от изменения температуры потока, что обеспечит, наряду с использованием в конструкции ротаметра поплавка неустойчивой формы с осевой симметрией, повышенную точность измерения расхода при изменении плотности или вязкости потока.
В выражении (9) G0 и ρ0 - соответственно модуль сдвига и плотность материала ферромагнитной трубки при нормальной температуре.
В качестве элемента считывания в ротаметре используется преобразователь магнитного поля. Возникновение ЭДС на выходе преобразователя магнитного поля происходит следующим образом. При распространении в ферромагнитной трубке крутильной волны механического напряжения в месте появления последней изменяется намагниченность материала ферромагнитной трубки (обратный эффект Видемана), что проявляется в виде локального кратковременного изменения магнитного поля. Преобразователь магнитного поля (элемент считывания) регистрирует факт локального изменения магнитного поля в момент прихода крутильной волны к элементу считывания, формируя на выходе ЭДС
В качестве преобразователя магнитного поля используется обратный магнитострикционный преобразователь крутильных колебаний [Захарьящев Л.И. Конструирование линий задержки. М.: Сов. радио, 1972, 192 с.].
В качестве преобразователя магнитного поля используется обратный магнитострикционный преобразователь продольных колебаний, например, индукционная катушка, размещаемая на ферромагнитной трубке, причем оси симметрии индукционной катушки и ферромагнитной трубки совпадают.
Ротаметр по сравнению с известными ротаметрами с дистанционной передачей имеет повышенную точность измерения расхода по месту, так как ход поплавка его не ограничивается особенностями конструкции вторичного преобразователя.
Источники информации
1. Балдин А.А., Бошняк Л.Л., Соловский В.М. Ротаметры. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отделение, 1983. - 200 с.
2. А.с.СССР №1315809, кл. G 01 F 1/22, 1/56. Опубл. 07.06.87. Бюл. №21.
3. Захарьящев Л.И. Конструирование линий задержки. - М.: Сов. радио, 1972, 192 с.
1. Ротаметр, содержащий трубку переменного сечения с местной шкалой, пустотелый немагнитный поплавок неустойчивого типа с осевой симметрией, неподвижную центральную направляющую, которая размещена соосно с трубкой переменного сечения, постоянный магнит, размещенный внутри поплавка, неподвижный элемент считывания, усилитель-формирователь импульсов считывания, вход которого соединен с выходом элемента считывания, блок выделения временного интервала, первый вход которого соединен с выходом усилителя-формирователя импульсов считывания, отличающийся тем, что он оснащен генератором импульсов тока возбуждения, а неподвижная центральная направляющая выполнена в виде тонкостенной ферромагнитной трубки, концы которой помещены в демпферы, причем верхний демпфер укреплен неподвижно на корпусе ротаметра, а нижний, вместе с размещенным в нем грузом, оставлен свободным, при этом внутри ферромагнитной трубки и соосно с ней размещен токопровод, электрически изолированный от ферромагнитной трубки, причем выход генератора импульсов тока возбуждения подключен к токопроводу и ко второму входу блока выделения временного интервала, а элемент считывания размещен у неподвижной центральной направляющей со стороны нижнего демпфера, причем постоянный магнит, ось симметрии которого совпадает с осью симметрии поплавка и ферромагнитной трубки, выполнен цилиндрическим, кольцевым и намагничен по образующей, причем температурный коэффициент модуля сдвига материала ферромагнитной трубки в три раза больше температурного коэффициента линейного расширения его.
2. Ротаметр по п.1, отличающийся тем, что в качестве элемента считывания применен преобразователь магнитного поля.
3. Ротаметр по п.2, отличающийся тем, что в качестве преобразователя магнитного поля применен обратный магнитострикционный преобразователь крутильных колебаний.
4. Ротаметр по п.2, отличающийся тем, что в качестве преобразователя магнитного поля применен обратный магнитострикционный преобразователь продольных колебаний.
