Вихревой расходомер

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения расхода и количества жидких сред. Сущность: устройство содержит тело обтекания со сквозным щелевым каналом, стержневые и пластинчатый электроды, вторичный преобразователь. Стержневые и пластинчатый электроды консольно закреплены в щелевом канале. Стержневые электроды на 70-90% своей длины от основания покрыты электрической изоляцией. Пластинчатый электрод электрически соединен с телом обтекания. Щелевой канал содержит вставку из неэлектропроводного материала со скошенными входными кромками. Вторичный преобразователь содержит генератор импульсов и микропроцессор. Выход генератора импульсов через резистор и конденсатор соединен со стержневым электродом. Технический результат: повышение точности расхода, снижение энергопотребления. 2 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения расхода и количества жидких сред.

Известен вихревой расходомер, содержащий установленное в трубопроводе тело обтекания со сквозным щелевым каналом, два стержневых электрода, консольно закрепленных вдоль щелевого канала, пластинчатый электрод и вторичный преобразователь, выполненный в виде двух усилителей постоянного тока и триггера, при этом стержневые электроды подключены к входам усилителей, выводы которых соединены с входами триггера [Патент РФ №2098770, М. кл⁶. G 01 F 1/32, 1997].

Известный расходомер не обладает требуемой точностью, так как надежная работа расходомера имеет место при достаточно больших амплитудах колебания пластинчатого электрода. Это достигается при достаточно больших скоростях потока в измеряемом трубопроводе, а при малой скорости движения потока пластинчатый электрод совершает весьма малые колебания, которые недостаточны для четкого формирования импульсов на считывающем устройстве.

Известен вихревой расходомер, содержащий пластинчатый электрод, стержневой электрод, консольно закрепленные на основании, размещенном в верхней части тела обтекания вдоль оси щелевого канала, вторичный преобразователь, выполненный в виде последовательно соединенных усилителя тока, входом подключенного к выводу пластинчатого электрода, детектора, фильтра и регулятора амплитуды импульсов [Патент РФ №2000547, М. кл⁶. G 01 F 1/00, 1993].

Известный расходомер обладает невысокой точностью измерения, так сопротивление межэлектродного промежутка меняется не только из-за колебаний пластинчатого электрода, но и зависит от температуры и характеристик жидкости, кроме того, присутствуют наводки в незаземленных электродах и вибрации, создаваемые насосами. Усилитель тока выполнен в виде инвертирующего усилителя, его входное сопротивление определяется межэлектродным сопротивлением, а поскольку оно невелико, то усилителем тока потребляется значительная энергия от генератора. Дополнительные потери энергии также возникают из-за включения в систему регулятора амплитуды импульсов, выполненного по параллельной схеме.

Известен вихревой расходомер, содержащий тело обтекания со сквозным щелевым каналом и консольно закрепленными в нем стержневым электродом и пластинчатым электродом, электрически соединенным с телом обтекания, и вторичный преобразователь, содержащий генератор, выход которого через резистор и конденсатор соединен со стержневым электродом [Патент РФ №2234063, МПК⁷, G 01 F 1/32, 2004].

Известный расходомер не обладает высокой точностью измерения, так как в качестве выходного параметра используется изменение сопротивления межэлектродного промежутка, которое зависит не только от положения пластинчатого электрода, но и от температуры и характеристик жидкости. Стержневые электроды неизолированы, поэтому ток между ними и пластинчатым электродом растекается по всей длине электродов, имеет большую постоянную составляющую, т.к. у основания электродов межэлектродный промежуток остается почти постоянным. Это ведет к уменьшению сопротивления межэлектродного промежутка (до 300 Ом - 1000 Ом), что снижает чувствительность расходомера и ведет к повышению энергопотребления. Острые кромки щелевого канала повышают его гидравлическое сопротивление. Это снижает скорость знакопеременного перетока жидкости в нем и, следовательно, уменьшают амплитуду колебаний пластинчатого электрода, что снижает чувствительность преобразователя. Напряжение с генератора импульсов поступает на межэлектродный промежуток через резистор, что также снижает чувствительность преобразователя и требует дополнительного усиления сигнала, что усложняет электрическую схему. Вопрос энергопотребления прибора имеет очень важное значение, так как большинство автономных расходомеров запитывается от электрических источников малой мощности (гальванических элементов).

Изобретение решает задачу повышения точности работы вихревого расходомера и снижения его энергопотребления.

Техническим результатом от использования изобретения является повышение точности и надежности расходомера и снижение его энергопотребления.

Это достигается тем, что в вихревом расходомере, содержащем тело обтекания со сквозным щелевым каналом и консольно закрепленными в нем стержневыми электродами и пластинчатым электродом, электрически соединенным с телом обтекания, и вторичный преобразователь, содержащий генератор импульсов, выход которого через резистор и конденсатор соединен со стержневым электродом, согласно изобретению, щелевой канал содержит вставку из неэлектрического материала со скошенными входными кромками, стержневые электроды на 70-90% своей длины от основания покрыты электрической изоляцией, один из стержневых электродов заземлен, а второй стержневой электрод через конденсатор подключен к генератору импульсов, пластинчатый электрод, закрепленный между стержневыми электродами, подключен к вторичному преобразователю, содержащему синхронный детектор, выход которого подключен последовательно к микропроцессору, блоку нормирования импульсов и выходному блоку, а управляющий вход синхронного детектора соединен с выходом генератора импульсов.

Отличием заявляемого решения от прототипа является то, что щелевой канал содержит вставку из неэлектропроводного материала со скошенными кромками на входе в канал, стержневые электроды на 70-90% своей длины от основания покрыты электрической изоляцией, генератор импульсов соединен со стержневым электродом через конденсатор, а вторичный преобразователь содержит микропроцессор. Неэлектропроводная вставка в щелевом канале повышает электрическое сопротивление межэлектродного промежутка, не позволяя току с электродов растекаться через тело обтекания, что снижает энергопотребление расходомера, а скошенные кромки вставки в щелевом канале уменьшают гидравлическое сопротивление канала, что повышает чувствительность расходомера. Покрытие стержневых электродов электрической изоляцией снижает постоянную составляющую полезного сигнала, что также повышает чувствительность прибора. Соединение генератора импульсов со стержневым электродом через конденсатор позволяет увеличить входное сопротивление вторичного преобразователя, а использование во вторичном преобразователе микропроцессора со встроенным аналого-цифровым преобразователем, работающим в основном в «спящем» режиме и потребляющим в активном режиме не более 3 мА, в «спящем» - не более 1 мкА, позволяет увеличить выходной сигнал и снизить энергопотребление схемы.

На фиг.1 показаны структурная схема вторичного преобразователя и сечение тела обтекания, устанавливаемого на измерительном участке трубопровода; на фиг.2 - электрическая схема вторичного преобразователя.

Расходомер содержит тело обтекания 1, установленное в трубопроводе со сквозным щелевым каналом 2, ориентированным перпендикулярно оси трубопровода. В щелевом канале 2 размещена вставка 3 со скошенными входными кромками из диэлектрического материала, например фторопласта. Сверху вдоль оси щелевого канала 2 консольно закреплены стержневые электроды 4 и 5 и пластинчатый электрод 6. Пластинчатый электрод 6 установлен между стержневыми электродами 4 и 5, которые на 70-90% длины от основания покрыты электрической изоляцией 7, выполненной, например, из фторопласта, причем стержневые 4 и 5 и пластинчатый 6 электроды выполнены из одного и того же материала, например нержавеющей стали. Пластинчатый электрод 6 подключен к вторичному преобразователю, в состав которого входят генератор с большой скважностью импульсов 8, конденсатор 9, синхронный детектор 10, микропроцессор 11, блок нормирования импульсов 12, выходной блок 13 и блок питания 14. Выход генератора 8 через конденсатор 9 соединен со стержневым электродом 4. Стержневой электрод 5 электрически соединен с телом обтекания 1, которое заземлено. Пластинчатый электрод 6 соединен с одним из входов синхронного детектора 10, второй вход которого соединен с выходом генератора 8, а выход детектора 10 подключен к последовательно соединенным микропроцессору 11, блоку нормирования импульсов 12 и выходному блоку 13. Генератор импульсов 8 также последовательно соединен с микропроцессором 11. Микропроцессор 11 выполнен со встроенным аналого-цифровым преобразователем, который работает в основном в «спящем» режиме.

Вихревой расходомер работает следующим образом. Поток жидкости, протекая по трубопроводу, создает с обеих сторон тела обтекания 1 попеременно срывающиеся вихри и пульсации давления, поэтому в щелевом канале 2 возникает знакопеременный поток жидкости, отклоняющий пластинчатый электрод 6 с частотой, пропорциональной скорости потока среды в трубопроводе. В проводящей среде между неподвижными стержневыми электродами 4 и 5 протекает переменный импульсный ток от генератора импульсов 8. При колебаниях пластинчатого электрода 6 между стержневыми электродами 4 и 5 изменяется величина переменного напряжения между пластинчатым электродом 6 и заземленным электродом 5, а межэлектродное сопротивление остается постоянным и имеет большую величину из-за отсутствия токов утечки между электродами 4, 5 и 6 и телом обтекания 1 за счет диэлектрической фторопластовой вставки 3 и покрытия электродов электрической изоляцией 7. Вследствие изменения величины электрического напряжения пластинчатого электрода 6 при его колебаниях на нем формируется амплитудно-модулированное напряжение (несущая частота этого напряжения равна частоте импульсов генератора 8, а огибающая равна частоте колебаний пластинчатого электрода 6, т.е. пропорциональна скорости потока жидкости в трубопроводе). Данное амплитудно-модулированное напряжение подается на синхронный детектор 10, представляющий собой синхронный ключ с запоминающим конденсатором. Ключ управляется импульсами, поступающими с генератора 8. Микропроцессор 11, выполненный со встроенным аналого-цифровым преобразователем, работает в основном в «спящем» режиме и потребляет в активном режиме не более 3 мА, в «спящем» - не более 1 мкА. Стержневой электрод 4 питается импульсным напряжением, которое одновременно является запускающим напряжением для микропроцессора 11, выводя его из «спящего» режима. На выходе синхронного детектора 10 формируется низкочастотная составляющая напряжения, которая поступает на аналого-цифровой преобразователь микропроцессора 11 и преобразуется в цифровую форму. Полученные данные обрабатываются по известному алгоритму и передаются в блок нормирования импульсов 12, в результате чего формируется выходной сигнал с частотой, пропорциональной расходу, при этом каждый импульс соответствует прошедшему объему жидкости. Далее сигнал передается на выходной блок 13 измерительной схемы.

Микропроцессор 11 позволяет исключить случайные сигналы, а также пропадание сигнала на выходе схемы.

Блок питания схемы 14 представляет собой два элемента DURASELL R12 с общим напряжением 3 В, емкости которых гарантированно хватает на 2 года бесперебойной автономной работы расходомера.

Вихревой расходомер, содержащий тело обтекания со сквозным щелевым каналом и консольно закрепленными в нем стержневыми электродами и пластинчатым электродом, электрически соединенным с телом обтекания, и вторичный преобразователь, содержащий генератор импульсов, выход которого через резистор и конденсатор соединен со стержневым электродом, отличающийся тем, что щелевой канал содержит вставку из неэлектропроводного материала со скошенными входными кромками, стержневые электроды на 70-90% своей длины от основания покрыты электрической изоляцией, а вторичный преобразователь содержит микропроцессор.