Шариковый преобразователь расхода
Изобретение относится к приборостроению, в частности к области измерения расхода жидкости в тяжелых эксплутационных условиях. Заявлен шариковый преобразователь расхода, который выполнен в виде вставки в технологический канал. Преобразователь содержит корпус из немагнитного материала, ограничительную втулку, раскрытую кольцевую полость с шаром и узел съема сигнала. Раскрытая кольцевая полость образована внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью ограничивающей втулки. Корпус преобразователя со стороны раскрытия полости с размещенным в ней шаром имеет кольцевое углубление, стабилизирующее вращение вихревого потока. Технический результат: повышение функциональных возможностей устройства. 2 ил., 1 табл.
Изобретение относиться к области измерительной техники, а именно к шариковым преобразователям расхода жидкости.
Известны шариковые преобразователи расхода, содержащие корпус, внутри которого установлена втулка с завихрителем потока, кольцевую полость, образованную поверхностью корпуса и наружной поверхностью втулки, размещенный в кольцевой полости шар, преобразователь скорости вращения в электрический выходной сигнал [1], [2].
Основным недостатком известных преобразователей является ограниченный во времени технический ресурс, что обусловлено прежде всего износом дорожки качения шара, образованной внутренней поверхностью корпуса.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по конструктивным признакам является вертикальный датчик шарикового расходомера [1], содержащий корпус с кольцевой дорожкой качения, в котором размещена втулка с направляющим аппаратом, наружная поверхность которой образует с внутренней поверхностью корпуса кольцевую полость, в которой размещен шар, скорость вращения которого определяется с помощью узла съема сигнала, причем кольцевая дорожка образована вращением сторон угла α, обращенного вершиной от центра вращения, симметричного относительно горизонтальной плоскости и сопряженного нижней стороной с дугой окружности радиуса не менее радиуса шарика R, вокруг продольной оси датчика, причем расстояние от вершины угла α до точки сопряжения окружности с его нижней стороной не менее R\tg α\2 [1]. Однако данное решение не обеспечивает стабильного вращения шара, высокой точности измерения и достаточного технического ресурса преобразователя.
Из рассмотрения условий работы преобразователей, выполняемых по [1] и [2], видно, что при вращении шара и качении его по дорожке качения высота подъема шара по образующей поверхности дорожки, обусловленная действием равнодействующей центробежной, движущей и скатывающей сил непрерывно меняется, сам шар, вращающийся в горизонтальной плоскости, перпендикулярной оси преобразователя, должен находиться в состоянии неустойчивого равновесия по вертикали. Изменение высоты подъема и соответствующие изменения радиуса вращения шара вокруг продольной оси преобразователя приводят к изменению амплитуды и периода выходного сигнала преобразователя, изменению пространственного положения собственной оси вращения шара при его качении по корпусу и периодическому торможению под действием возникающего гироскопического момента, что ведет к проскальзыванию шара по отдельным участкам дорожки качения, изменению значения коэффициента трения и изменению скорости движения шара по окружности. Шар не может занимать устойчивое положение на дорожке качения, касаясь ее одновременно в точках, лежащих на лучах образующей АЕ и СД см. [1], так как при его подъеме по АЕ и соприкосновении с поверхностью дорожки, лежащей по линии СД, происходит перераспределение сил, изменение направления равнодействующей силы и пространственного положения оси вращения шара, вызывающее возникновение дополнительного гироскопического тормозного момента и проскальзывание соприкасающихся поверхностей вследствие того, что шар прижат к поверхностям, ограниченным АЕ и СД, с неодинаковой силой. Период колебания шара по вертикали и амплитуда этих колебаний в значительной степени зависят от конфигурации поверхности дорожки качения и от демпфирующих свойств измеряемой среды. Особенно неблагоприятно на сроке службы сказывается использование преобразователя на средах с пониженной кинематической вязкостью, при пульсирующих расходах измеряемой среды. Испытания преобразователя, выполненного в соответствии с [2], показали его неработоспособность из-за резонансных явлений, возникающих при пульсирующих расходах среды с кинематической вязкостью, меньшей 0,2 сСт [3].
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является создание шарикового преобразователя расхода, предназначенного для вертикальной установки, конструкция которого обеспечит более устойчивое вращение шара в кольцевой полости, образованной внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью ограничивающей втулки, а также повышение точности измерения и технического ресурса преобразователя.
Для этого предложен шариковый преобразователь расхода, содержащий корпус, ограничивающую втулку с элементами, создающими вращение потока вокруг продольной оси преобразователя, кольцевую полость, образованную внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью ограничивающей втулки, отличающийся тем, что образующая внутренней поверхности корпуса представляет собой кривую переменной кривизны, а корпус преобразователя со стороны раскрытия кольцевой полости имеет кольцевое углубление. Конструкция преобразователя представлена на фиг.1 и 2.
Преобразователь состоит из корпуса 1, внутри которого установлена втулка 2 с элементами 3, создающими вращение потока измеряемой среды вокруг его вертикальной оси. В варианте исполнения по фиг.1 - это лопасти, а в варианте исполнения по фиг.2 - ряд тангенциальных отверстий. Внутренняя поверхность корпуса и наружная поверхность втулки образуют кольцевую полость 4, в которой размещен чувствительный элемент - шар 5. С внешней стороны корпуса установлен преобразователь скорости (частоты) вращения шара в электрический сигнал 6. В поперечном сечении кольцевой полости, проходящем через продольную ось преобразователя, образующая внешней поверхности корпуса представляет собой кривую переменной кривизны, содержащую отрезок прямой а, перпендикулярный продольной оси преобразователя, сопряженный с дугой окружности радиусом R1, в свою очередь сопряженной с дугой окружности радиуса R2 при R2>R1. Кольцевая полость, за счет разницы диаметра корпуса D1 и наружного диаметра втулки 2, раскрыта в сторону кольцевого углубления корпуса 7 с диаметром D2, которое стабилизирует поток измеряемой среды и служит для дополнительного выравнивания эпюры скоростей и сглаживания пульсаций скорости во вращающемся вихре, образованном элементами втулки 3, закручивающими поток. На наружной поверхности втулки, обращенной к шару, расположенному в кольцевой полости, выполнен ряд впадин и выступов 8, ухудшающих циркуляцию потока в поперечном сечении кольцевой полости.
Работа преобразователя происходит следующим образом: поток измеряемой среды протекает через решетку лопастей 3 (фиг.1) или тангенциальных отверстий 3 втулки 2 (фиг.2), закручивается вокруг оси преобразователя, образуя в кольцевом углублении 7 корпуса 1 устойчивый вращающийся вихрь. Движение жидкости за счет силы вязкого трения и турбулентного перемещения передается из кольцевого углубления корпуса в кольцевую полость 4 с расположенным в ней шаром 5. Находящаяся в кольцевой полости 4 жидкость приобретает вращательное движение вокруг оси преобразователя и передает движение находящемуся в полости 4 шару 5, который катится по внутренней поверхности корпуса. Преобразователь 6 преобразует скорость вращающегося шара в электрический сигнал. При качении шара в кольцевой полости, в результате действия центробежной силы, шар начинает подниматься по образующей внутренней поверхности корпуса на некоторый угол α±Δα. Выполнение профиля наружной поверхности кольцевой камеры в виде кривой переменной кривизны позволяет снизить диссипацию энергии колебательного движения шара [3], предотвратить увеличение амплитуды колебаний шара при резонансных явлениях. В рассматриваемой конструкции резкие изменения пространственного положения оси вращения шара, вызывающие его проскальзывания по дорожке качения, полностью устраняются.
В результате проведенных сравнительных испытаний преобразователя, выполненных в соответствии с [1], и конструкций преобразователей, представленных на фиг.1 и 2, установлено, что нестабильность периода выходного сигнала, характеризующая неравномерность вращения шара, определяемая как среднеквадратичное отклонение периода от средней величины по [1], достигает 3,0%, нестабильность периода для исполнения по фиг.1 согласно изобретению не превышает 0,41%, исполнения по фиг.2 0,52%. Порученные результаты позволяют сделать вывод о достигнутой цели изобретения. Наилучшие результаты получены при соблюдении следующих соотношений:(см. таблицу).
| Радиусы дуг сопрягающихся окружностей | R1=1,50 Rш R2=2,25 Rш |
| Диаметры корпуса | D2=(1,1-1,3) D1 D3=(1,0-0,7) D1 |
| Ширина кольцевого углубления корпуса | L=(0,8-2,0) Rш |
Источники информации
[1] Авторское свидетельство СССР SU 1474471 А1, кл. C 01 F 1/06, Бюл. №15 от 23.04.89.
[2] Авторское свидетельство СССР SU 621961, кл. C 01 F 1/05, Бюл. №32 от 30.08.78.
[3] С.А.Золотаревский, И.Н.Иванов. Теоретическое и экспериментальное исследование относительно колебательного движения шара в шариковом расходомере с тороидальной дорожкой качения. В сб. Промышленные методы измерения расхода жидкости и газа. Сборник научных трудов. НИИТеплоприбор, Москва, 1988.
Шариковый преобразователь расхода, содержащий корпус, ограничительную втулку с элементами, создающими вращение потока вокруг продольной оси преобразователя, раскрытую кольцевую полость, ограниченную внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью ограничительной втулки, размещенный в кольцевой полости шар, преобразователь скорости вращения шара в электрический входной сигнал, отличающийся тем, что образующая внутренней поверхности корпуса представляет собой кривую переменной кривизны, корпус преобразователя со стороны раскрытия полости с размещенным в ней шаром имеет кольцевое углубление, стабилизирующее вращение вихревого потока, а на наружной поверхности ограничительной втулки выполнен ряд впадин и выступов, ухудшающих циркуляцию потока в поперечном сечении кольцевой полости, проходящем через продольную ось преобразователя.
