Ротаметр

Изобретение относится к области измерительной техники. Ротаметр содержит коническую трубку с местной шкалой, немагнитный поплавок, внутри которого размещен постоянный магнит. Соосно с трубкой размещена неподвижная центральная направляющая в виде немагнитной трубки из коррозионностойкого материала. Внутри трубки находится ферромагнитный токопровод с демпферами на концах и элементом считывания, который подключен к усилителю-формирователю импульсов считывания. Ферромагнитный токопровод подключен к генератору импульсов возбуждения. Выходным параметром ротаметра является временной интервал, пропорциональный перемещению поплавка. Ротаметр с дистанционной передачей имеет повышенную разрешающую способность. 1 ил.

 

Измерение относится к автоматике и измерительной технике, в частности к устройствам измерения расхода приборами постоянного перепада давления.

Известен 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.] [1].

Однако ротаметр имеет низкую разрешающую способность, что связано с малым ходом поплавка. Последнее объясняется тем, что короткий постоянный магнит имеет значительные потоки рассеяния, вследствие чего крутизна фронтов импульсов э.д.с., наводимых вращающимся вместе с поплавком постоянным магнитом в выходной треугольной обмотке, невысока.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является ротаметр с дистанционной передачей, содержащий трубку переменного сечения с местной шкалой, центральную неподвижную ферромагнитную направляющую, которая размещена соосно с трубкой переменного сечения и концы которой помещены в демпферы, а внутри которой размещен токопровод, поплавок с постоянным магнитом, элемент считывания, размещенный у центральной неподвижной направляющей, генератор импульсов тока возбуждения, усилитель-формирователь импульсов считывания, блок выделения временного интервала [Заявка №2001114948/28 (015741) от 31.05.2001 г.] [2].

Однако разрешающая способность у такого ротаметра невысока. Объясняется это тем, что в качестве материала неподвижной центральной направляющей могут быть использованы только пластичные прецизионные ферромагнитные материалы, обладающие значительной магнитострикцией, такие как, например, никель или пермендюр 65К, из которых можно изготавливать трубки с небольшим, порядка 1,5-2 мм, внутренним диаметром. В то же время низкое удельное сопротивление этих материалов существенно ограничивает частотный диапазон вторичного преобразователя ротаметра, вследствие чего крутизна фронтов импульсов э.д.с. считывания, возникающих на выходе элемента считывания, невысока. Другие прецизионные ферромагнитные материалы, которые имеют высокую магнитострикцию и значительно большее удельное сопротивление, чем никель или пермендюр 65К, и поэтому работающие в более широком частотном диапазоне, например, такие сплавы, как элинвары, имеют низкую пластичность, вследствие чего выпускаются только в виде проволоки и ленты.

Техническая задача - создание ротаметра с дистанционной передачей, который обладает повышенной разрешающей способностью.

Технический результат - повышение разрешающей способности ротаметрами с дистанционной передачей.

Для достижения технического результата ротаметр, содержащий трубку переменного сечения с местной шкалой, пустотелый немагнитный поплавок с осевой симметрией, внутри которого размещен постоянный магнит, неподвижную центральную направляющую, внутри и соосно с которой находится токопровод, электрически изолированный от неподвижной центральной направляющей, которая размещена соосно с трубкой переменного сечения, неподвижный элемент считывания, усилитель-формирователь импульсов считывания, вход которого соединен с выходом элемента считывания, генератор импульсов тока возбуждения, который подключен к токопроводу, блок формирования временного интервала, первый вход которого подсоединен к выходу генератора импульсов тока возбуждения, а второй вход блока формирования временного интервала подключен к выходу усилителя-формирователя импульсов считывания, причем центральная неподвижная направляющая выполнена в виде тонкостенной немагнитной трубки из коррозионно-стойкого материала, а токопровод выполнен ферромагнитным, при этом концы ферромагнитного токопровода помещены в демпферы, которые размещены внутри неподвижной центральной направляющей, причем верхний демпфер укреплен неподвижно, а нижний демпфер, вместе с размещенным на нем грузом, оставлен свободным, при этом элемент считывания размещен неподвижно у ферромагнитного токопровода внутри неподвижной центральной направляющей у нижнего демпфера.

На чертеже представлены конструкция и измерительная схема ротаметра.

Ротаметр содержит трубку переменного сечения 1 с местной шкалой 2, крышки 1а и 1б, неподвижную центральную направляющую 3, которая выполнена в виде тонкостенной немагнитной трубки из коррозионно-стойкого материала, которая крепится к крышкам 1а и 1б, ферромагнитный токопровод 4, размещенный внутри неподвижной центральной направляющей 3, электрически изолированный от последней и соосно с ней, груз 9, демпферы 5а и 5б, в которых размещены концы ферромагнитного токопровода, причем верхний 5б укреплен неподвижно, а нижний - 5а вместе с грузом 9 оставлен свободным, поплавок 6, внутри которого размещен цилиндрический кольцевой, намагниченный по образующей, постоянный магнит 7, ось симметрии которого совпадает с осью симметрии поплавка и осью неподвижной центральной направляющей, неподвижный элемент считывания 8, размещенный на ферромагнитном токопроводе 4 у нижнего демпфера, генератор импульсов тока возбуждения 10, усилитель-формирователь импульсов считывания 11 и блок формирования временного интервала 12, причем выход генератора импульсов тока возбуждения подсоединен к ферромагнитному токопроводу и к первому входу блока формирования временного интервала 12, ко второму входу которого подсоединен выход усилителя-формирователя импульсов считывания 11, вход которого соединен с выходом элемента считывания 8.

Длина неподвижного ферромагнитного токопровода между демпферами, координаты высоты подъема поплавка - максимальная и текущая - соответственно равны L, H_m и Н. Расстояние между координатой Н=0 и элементом считывания равно Н₀ (Н₀ - постоянная, назначается при проектировании ротаметра).

Трубка переменного сечения 1 с местной шкалой, поплавок 6, перемещающийся по неподвижной центральной направляющей 3, образуют первичный преобразователь ротаметра.

Ферромагнитный токопровод 4, поплавок 6 с постоянным магнитом 7, элемент считывания 8, генератор импульсов тока возбуждения 10, усилитель-формирователь импульсов считывания 11 и блок формирования временных интервалов 12 образуют вторичный преобразователь ротаметра.

Устройство работает следующим образом.

По команде "запуск" на выходе формирователя 10 импульсов тока возбуждения возникают импульсы тока возбуждения, период повторения Т которых равен

Импульс тока возбуждения, во-первых, запускает блок формирования временного интервала 12, и, во-вторых, в ферромагнитном токопроводе 4 под постоянным магнитом 7 возбуждает крутильную волну механического напряжения (прямой эффект Видемана), которая распространяется от места возникновения вниз и вверх со скоростью V_k

где G и ρ соответственно модуль сдвига и плотность материала ферромагнитного токопровода.

Крутильная волна механического напряжения, распространяющаяся в направлении элемента считывания 8, через промежуток времени

наводит в последнем импульс э.д.с. (обратный эффект Видемана). Распространяясь далее, крутильная волна механического напряжения, достигнув демпфера 5а, затухает. Крутильная волна механического напряжения, которая распространяется вверх от места возбуждения, доходит до демпфера 5б, где также затухает.

Импульс э.д.с., наведенный в элементе 8, после усиления и формирования усилителем-формирователем 11 импульсов считывания поступает на второй вход блока формирования временного интервала 12, в результате чего на выходе его формируется строб, длительностью Δt, однозначно соответствующий текущему положению Н поплавка в ротаметре:

Известно, что статическая характеристика ротаметра с местной шкалой имеет вид [3]:

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;

F_k - 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

где α₁ - конструктивная постоянная конической трубки.

С учетом (4)-(6) уравнение ротаметра имеет вид:

где

Таким образом, интервал времени Δt однозначно определяет текущее положение Н поплавка и, следовательно, будет однозначно определять величину объемного расхода Q.

Для компенсации изменения длины ферромагнитного токопровода при изменении температуры потока нижний конец его с демпфером 5а и с грузом 9 оставлен свободным.

Так как в качестве ферромагнитного токопровода можно использовать проволоку или ленту из прецизионных магнитных сплавов, например эленваров, обладающих большой магнитострикцией и высоким удельным сопротивлением, то частотный диапазон вторичного преобразователя ротаметра может быть существенно увеличен и, следовательно, форма сигнала считывания будет иметь большую крутизну, по сравнению с известным ротаметром, в результате чего обеспечивается получение технического результата.

Источники информации

1. А.С. СССР. №1315809, кл. G 01 F 1/22, 1/56. Опубл. 07.06.87. Бюл. №21.

2. Заявка №2001114948/28 (015741) от 31.05.2001 г. (прототип).

3. Балдин А.А., Бошняк Л.Л., Соловский В.М. Ротаметры. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отделение, 1983. - 200 с.

Ротаметр, содержащий трубку переменного сечения с местной шкалой, пустотелый немагнитный поплавок с осевой симметрией, внутри которого размещен постоянный магнит, неподвижную центральную направляющую, внутри и соосно с которой находится токопровод, электрически изолированный от неподвижной центральной направляющей, которая размещена соосно с трубкой переменного сечения, неподвижный элемент считывания, усилитель-формирователь импульсов считывания, вход которого соединен с выходом элемента считывания, генератор импульсов тока возбуждения, который подключен к токопроводу, блок формирования временного интервала, первый вход которого подсоединен к выходу генератора импульсов тока возбуждения, а второй вход блока формирования временного интервала подключен к выходу усилителя-формирователя импульсов считывания, отличающийся тем, что неподвижная центральная направляющая выполнена в виде тонкостенной немагнитной трубки из коррозионно-стойкого материала, а токопровод выполнен ферромагнитным, при этом концы ферромагнитного токопровода помещены в демпферы, которые размещены внутри неподвижной центральной направляющей, причем верхний демпфер укреплен неподвижно, а нижний демпфер вместе с размещенным на нем грузом оставлен свободным, при этом элемент считывания размещен неподвижно у ферромагнитного токопровода внутри неподвижной центральной направляющей у нижнего демпфера.