CS223709B1

CS223709B1 - Flow sensor and / or fluid composition changes

Info

Publication number: CS223709B1
Application number: CS275481A
Authority: CS
Inventors: Vaclav Tesar
Original assignee: Vaclav Tesar
Priority date: 1981-04-10
Filing date: 1981-04-10
Publication date: 1983-11-25

Abstract

Předmětem, vynálezu je zařízení využitelné zejména v chemickém nebo potravinářském průmyslu ale i v celé řadě jiných oborů, všude tam, kde je zapotřebí sledovat velikost průtoku nebo změny koncentrace příměsi v kapalině, a to jak v provozu, tak v laboratorních přístrojích. Účelem vynálezu je zjednodušení a snížení ceny oproti dosavadním známým snímačům, odstranění citlivosti na přítomnost pevných částic v kapalině a použitelnost i u kapalin neprůhledných. Tohoto· účelu se dosáhne zjišťováním výšky výstupku kapaliny, který se vytvoří nad její hladinou, vytéká-li zespodu proti hladině tekutinový proud vzhůru orientovanou tryskou. Výška výstupku závisí jednak na hybnosti proudu a tím na velikosti přiváděného průtoku, jednak na povrchovém napětí kapaliny, které záleží na jejím složení. Udržováním jednoho z těchto dvou faktorů na stálé hodnotě lze zjišťovat změny druhého z nich. Zejména jsou uvedeny varianty se zjišťováním výšky takto vytvořeného výstupku optickou a pneumatickou cestou.The subject of the invention is a device usable especially in the chemical or food industry but also in a number of other fields, wherever it is necessary to monitor the flow rate or changes in the concentration of an admixture in a liquid, both in operation and in laboratory devices. The purpose of the invention is to simplify and reduce the price compared to previously known sensors, to eliminate sensitivity to the presence of solid particles in the liquid and to be usable even with opaque liquids. This purpose is achieved by determining the height of the protrusion of the liquid, which is formed above its surface, if a fluid stream flows from below against the surface through an upwardly oriented nozzle. The height of the protrusion depends on both the momentum of the stream and thus on the size of the supplied flow rate, and on the surface tension of the liquid, which depends on its composition. By maintaining one of these two factors at a constant value, changes in the other can be detected. In particular, variants are presented with the detection of the height of the protrusion thus formed optically and pneumatically.

Description

Předmětem, vynálezu je zařízení využitelné zejména v chemickém nebo potravinářském průmyslu ale i v celé řadě jiných oborů, všude tam, kde je zapotřebí sledovat velikost průtoku nebo změny koncentrace příměsi v kapalině, a to jak v provozu, tak v laboratorních přístrojích. Účelem vynálezu je zjednodušení a snížení ceny oproti dosavadním známým snímačům, odstranění citlivosti na přítomnost pevných částic v kapalině a použitelnost i u kapalin neprůhledných. Tohoto· účelu se dosáhne zjišťováním výšky výstupku kapaliny, který se vytvoří nad její hladinou, vytéká-li zespodu proti hladině tekutinový proud vzhůru orientovanou tryskou. Výška výstupku závisí jednak na hybnosti proudu a tím na velikosti přiváděného průtoku, jednak na povrchovém napětí kapaliny, které záleží na jejím složení. Udržováním jednoho z těchto dvou faktorů na stálé hodnotě lze zjišťovat změny druhého z nich. Zejména jsou uvedeny varianty se zjišťováním výšky takto vytvořeného výstupku optickou a pneumatickou cestou.The object of the invention is a device particularly useful in the chemical or food industry, but also in a wide variety of other fields, wherever it is necessary to monitor the flow rate or changes in the concentration of an additive in a liquid, both in operation and in laboratory instruments. The purpose of the invention is to simplify and reduce the cost of prior art sensors, to remove sensitivity to the presence of solid particles in the liquid and to be applicable to opaque liquids. This is accomplished by detecting the height of the liquid protrusion that is formed above the liquid level when a fluid jet is flowing from below against the surface of an upwardly directed nozzle. The height of the projection depends, on the one hand, on the momentum of the current and hence on the size of the supplied flow, and on the surface tension of the liquid, which depends on its composition. By keeping one of these two factors constant, changes in the other can be detected. In particular, variants are provided for detecting the height of the projection so formed by optical and pneumatic means.

Vynález se týká zařízení ke sledování protékající kapaliny, které může být použito v podstatě ke dvěma různým účelům. Je-li zajištěno, že protékající kapalina má neměnné vlastnosti a stav, to je zejména teplotu, může být snímačem podle vynálezu měřena velikost průtoku, to je průtočný objem nebo průtočná hmotnost, které se za uvedených podmínek od sebe vzájemně liší násobnou konstantou. Jestliže je naopak udržován průtok kapaliny na stálé hodnotě, například přepadem, nebo je-li průtok současně zjišťován snímačem jiného druhu, lze z údaje snímače podle vynálezu vyvozovat závěry o složení kapaliny, například o koncentraci jedné ze složek v binární směsí. Předpokládá se, že snímač bude používán ve stacionárních zařízeních, popřípadě při laboratorních měřeních. Především má sloužit v případech, kdy protékající množství tekutiny není příliš velké.The present invention relates to a device for monitoring the flow of liquid which can be used essentially for two different purposes. If it is ensured that the flowing liquid has constant properties and condition, in particular temperature, the flow rate, i.e. the flow volume or the flow mass, which differs from each other under a given constant by the sensor according to the invention can be measured. Conversely, if the flow rate of the liquid is kept constant, for example by overflow, or if the flow rate is simultaneously detected by a sensor of another kind, conclusions can be drawn from the sensor data according to the invention on the liquid composition, for example the concentration of one of the components in the binary mixture. It is assumed that the sensor will be used in stationary devices or in laboratory measurements. In particular, it is intended to be used in cases where the fluid flow rate is not too large.

Dosavadní snímače průtoku vedou při měření nepříliš velkých průtoků k problémům. Snímače odporového typu, jako jsou průřezová měřidla — clonky apod. — vesměs vycházejí z předpokladu konstantnosti odporového součinitele, který při malých Reynoldsových číslech a tedy při malých průtocích není splněn. Neplatí to pro uspořádání založená na ztrátě při laminárním průtoku, avšak to jsou snímače známé zase svou nevýhodou snadného zanesení nečistotami z tekutiny. Turbinkové nebo jiné příbuzné snímače nebývají dobře použitelné proto, že malý silový účinek při malých průtocích je již srovnatelný s třením v ložiskách, jinak zanedbávaným, které vnáší velké chyby, neboť jeho¹ velikost nelze předem znát a navíc je proměnná. Snad nejvhodnější jsou ploiváčkové průtokoměry — rotametry. Reprodukovaná výroba jejich kuželových trubic však není jednoduchou záležitostí, jsou tedy poměrně drahé. Převod polohy plováčku na výstupní elektrický signál je rovněž dosti nesnadnou záležitostí, zejména tehdy, není-li kapalina průhledná, takže není možné optické zjišťování polohy plováčku. Ještě obtížnější je převod polohy plováčku na pneumatický výstupní signál.Existing flow sensors lead to problems when measuring low flow rates. Resistive type sensors, such as cross-sectional gauges, etc., are generally based on the assumption that the resistance coefficient is constant at small Reynolds numbers and therefore at low flow rates. This does not apply to loss-based arrangements at laminar flow, but these sensors are known to have the disadvantage of being easily clogged by impurities from the fluid. Turbine or other related sensors are not well suited because small force effect at low flows is already comparable to friction in bearings, or neglected, which brings big mistakes because of his size ^one can not know in advance and is also variable. Perhaps the most suitable are flat flow meters - rotameters. However, the reproduced production of their conical tubes is not a simple matter, so they are relatively expensive. Conversion of the float position to an output electrical signal is also a rather difficult matter, especially when the liquid is not transparent, so that the float position is not optically detectable. It is even more difficult to convert the float position to a pneumatic output signal.

Pokud jde o snímače složení kapalin, je situace u dosavadních snímačů ještě nepříznivější. Je-li kapalina průhledná a obsahuje-11 malé množství slabě zbarvené příměsi, lze k měření koncentrace příměsi použít snímač založený na extinkci světla ve vrstvě kapaliny. Ne vždy se ovšem vyskytne takováto situace. Spíše se lze setkat s tím, že je použitelná metoda založená na měření elektrického odporu vrstvy kapaliny, měnícího se s koncentrací iontů a tedy s koncentrací příměsi, je-li tato elektrolytem. Problémem ovšem je, že velmi rychle dochází ke zhoršení přesnosti tohoto měření, jak během provozu dochází ke znečišťování elektrod, jimiž se elektrický proud zavádí do kapaliny. Jinak zbývají možnosti periodického odebírání vzorků a vyšetřování jejich složení metodami běžnými v chemii — například polarograficky. Tím se ovšem celé snímání koncentrace stane náročnou operací.As far as liquid composition sensors are concerned, the situation with the existing sensors is even more unfavorable. If the liquid is transparent and contains a small amount of a slightly colored additive, a sensor based on the extinction of light in the liquid layer can be used to measure the concentration of the additive. However, this is not always the case. Rather, it may be found that a method based on measuring the electrical resistance of a layer of a liquid that changes with the ionic concentration and hence the dopant concentration, if this is an electrolyte, is applicable. The problem, however, is that the accuracy of this measurement deteriorates very rapidly, as the electrodes are contaminated during operation and the electrical current is introduced into the liquid. Otherwise there is the possibility of periodic sampling and examination of their composition by methods common in chemistry - for example polarographically. However, this makes the entire concentration sensing a difficult operation.

Ukazuje se, že dostatečně citlivým indikátorem změn složení kapaliny může být hodnota jejího povrchového napětí. Problém snímání velikosti povrchového napětí kontinuálně protékající tekutiny je řešen snímačem podle tohoto vynálezu, jehož podťatou je, že na přívod kapaliny je připojena tryska, jejíž ústí je orientováno směrem vzhůru a leží přitom níže než přepadová hrana nádoby, v níž je tryska umístěna, přičemž nad tryskou, výše než přepadová hrana, je umístěno* ústrojí pro detekci výšky kapaliny.It turns out that a sufficiently sensitive indicator of changes in the composition of a liquid may be its surface tension value. The problem of sensing the surface tension of a continuously flowing fluid is solved by a sensor according to the present invention, which is characterized by the fact that a nozzle is connected to the liquid inlet and its mouth faces upwardly lower than a liquid level detecting means is located above the overflow edge.

Zejména je účelné uspořádání snímače, u něhož zařízení k detekci výšky kapaliny sestává ze světelného zdroje na jedné a elektrického prvku reagujícího na světlo na straně druhé.In particular, a sensor arrangement is expedient in which the device for detecting the height of the liquid consists of a light source on one side and an electrical element responsive to light on the other.

Je však také účelné provést snímač tak, že zařízení k detekci výšky kapaliny je tvořeno detekční tryskou napojenou přes pneumatický odpor na zdroj tlakového* plynu, zejména vzduchu, kde mezi detekční tryskou a pneumatickým odporem je vývod výstupního* pneumatického* signálu.However, it is also expedient to provide a sensor such that the liquid height detecting device is formed by a detection nozzle connected via a pneumatic resistor to a source of pressurized gas, in particular air, where an output pneumatic signal is output between the detection nozzle and the pneumatic resistor.

V nádobě, do níž je přiváděna kapalina, se ustaví hladina ve výši její přepadové hrany. Výtokem kapalinového proudu z trysky orientované zespodu proti hladině se na hladině vytvoří výstupek, jeho výška je dána podmínkou rovnováhy mezi průtočnou hybností kapalinového proudu a silou povrchového pnutí na obvodě výstupku. Ostrojím pro detekci výšky kapaliny je pak zjišťována výška tohoto výstupku. Je zřejmé, že celý snímač podle vynálezu je extrémně jednoduchý a tedy snado a levně vyrobitelný. Další jeho výhodou je, že může fungovat i tehdy, protéká-li jím tekutina zcela neprůhledná. Jinou výhodou je, že jeho funkce není nijak ohrožena, obsahuje-li kapalina, například ve formě suspenze, pevné částice. Ve snímači není nic, co by se mohlo opotřebovat otěrem v kontaktních plochách nebo co* by snižovalo spolehlivost tím, že by mohlo dojít k zadření nebo zaseknutí. Velmi snadno lze generovat pneumatický výstupní signál, pokud tento bude požadován. Snadno lze měřit i velmi malé průtoky.A level equal to its overflow edge is established in the container to which the liquid is supplied. The outflow of the liquid stream from the nozzle oriented from below against the surface creates a projection on the surface, its height being determined by the condition of equilibrium between the flow momentum of the liquid stream and the surface tension force at the periphery of the projection. The height of the projection is then determined by the fluid height detector. It is obvious that the entire sensor according to the invention is extremely simple and thus easy and inexpensive to manufacture. Another advantage is that it can function even when the liquid is completely opaque. Another advantage is that its function is not compromised if the liquid, for example in the form of a suspension, contains solid particles. There is nothing in the sensor that could be worn by abrasion in the contact surfaces or that would reduce reliability by causing seizure or jamming. If desired, a pneumatic output signal can be generated very easily. Very small flow rates are easy to measure.

Na výkresu je znázorněn příklad provedení snímače podle vynálezu, a to v provedení s optickými snímáním výšky výstupku nad hladinou. Základní částí je tryska 1 umístěná v nádobě 2 pod úrovní přepadové hrany 3, kterou je při stálém průtoku udržována hladina na stálé výši, například kdy snímač slouží k detekci změn koncentrace nějaké příměsi ve vodě, například alkoholu, který má podstatně nižší hodnotu povrchového napětí než voda. Tryska 1, jak je z výkresu patrné, se tedy nachází pod hladinou a je orientována směrem vzhůru, pro223709 ti hladině. Je připojena na přívod 10 kapaliny, která výtokem z trysky 1 vytváří kapalinový proud. V daném příkladě je zachyceno provedení, u něhož je tryska 1 výměnná. Vybere se podle dané kapaliny a velikosti jejího průtoku taková tryska 1, aby její ústí la mělo’ žádoucí průměr a vzdálenost pod hladinou k tomu, že povrchové pnutí znemožní vytvoření fontánky, nad. hladinou, ale pouze výstupku hladiny. Zvětší-li se povrchové pnutí oproti naznačenému stavu, vý3ka výstupku se zmenší. Naopak zvětši li se koncentrace alkoholu a povrchové pnutí klesne, výška výstupku vzroste. Ke zjišťování výšky výstupku slouží optická soustava umístěná nad hladinou kapaliny v nádobě 2. Mezi kondenzorem 4 a objektivem 5 je vytvořen paralelní svazek paprsků, vycházejících ze světelného zdroje 6 — žárovky — a dopadajících do· elektrického prvku 7 reagujícího· na světlo — jímž je křemíková generátorová fotonka. Výstupek znemožní části svazku 9 v tom, aby dopadal do elektrického prvku 7 reagujícího na světlo. V případě neprůhledné kapaliny je to jednoduše důsledek absorpce světla v kapalině. Avšak i v případě kapaliny zcela průhledné, jako je v daném případě směs v.ody s alkoholem, bude paralelní chod paprsků porušen, zčásti odrazem od povrchu kapaliny, zčásti — která je významnější — lomem na rozhraní vzduch—kapalina. Toto rozhraní má takový sklon, že světelné paprsky se na něm lámou směrem dolů a nedopadnou tedy do objektivu 5. Pro dosažení vhodného průběhu charakteristiky snímače lze tvarovat příčný průřez světelného svazku například clonkou za kondenzorem 4. Také ústí la může vsým tvarem charakteristiku ovlivnit, může mít například tvar štěrbiny, aby výstupek kapaliny nad hladinou měl nikoliv . rotačně symetrický tvar, ale tvar jakési vlny. Působení povrchového pnutí lze ovlivnit třeba tím, že štěrbina ústí la bude sahat až , ke stěnám nádoby 2, které po stranách budou přesahovat výše, než přepadové hrany 3.The drawing shows an exemplary embodiment of a sensor according to the invention in an embodiment with optical sensing of the height of the projection above the surface. The basic part is the nozzle 1 located in the container 2 below the level of the overflow edge 3, which keeps the level at a constant level at a constant flow rate, for example when the sensor is used to detect changes in the concentration of some impurities in water, for example alcohol. water. Thus, the nozzle 1, as seen in the drawing, is located below the surface and oriented upwards, for the surface. It is connected to the liquid inlet 10, which creates a liquid stream through the nozzle 1 outlet. In the example, there is shown an embodiment in which the nozzle 1 is replaceable. A nozzle 1 is selected according to the liquid and its flow rate such that its mouth 1a has a desirable diameter and distance below the surface so that surface tension prevents formation of the fountain above. but only the projection of the layer. If the surface tension increases compared to the indicated state, the projection height is reduced. Conversely, if the alcohol concentration increases and the surface tension decreases, the height of the projection increases. An optical system located above the liquid level in the container 2 is used to determine the height of the projection. A parallel beam is formed between the condenser 4 and the objective 5 emanating from the light source 6 - bulb - and impinging on the light-responsive electrical element 7 generátorová fotonka. The projection prevents portions of the beam 9 from impinging on the light-responsive electrical element 7. In the case of an opaque liquid, this is simply due to the absorption of light in the liquid. However, even in the case of a completely transparent liquid, such as a water / alcohol mixture, the parallel beam path will be disrupted, partly by reflection from the surface of the liquid, partly - more importantly - by a refraction at the air-liquid interface. This interface has a tendency that the light beams refract downwards and thus do not fall into the lens 5. In order to obtain a suitable sensor characteristic, the cross-section of the light beam can be shaped, for example, by a diaphragm downstream of the condenser. for example, have the shape of a slot so that the protrusion of the liquid above the surface does not. rotationally symmetrical shape, but a wave form. The effect of the surface tension can be influenced, for example, by the gap of the mouth 1a extending as far as the walls of the container 2, which laterally extend higher than the overflow edges 3.

Bude-li nopak složení kapaliny neměnné, takže nebude docházet ke změnám povrchového napětí, bude výška výstupku, vytvořeného účinkem výtoku z trysky 1, záviset na velikosti průtoku, který tryskou 1 a tedy celým, snímačem prochází. Zvětšení průtoku se projeví zvýšením výšky výstupku a tedy tím, že se zvětší část svazku 9, která nedopadá do elektrického prvku 7 reagujícího na světlo. V tomto případě se také projeví i změny výšky hladiny ve větší vzdálenosti od výstupku: Při vzrůstu průtoku bude kapalina přetékat ve větší výšce nad přepadovou hranou 3, což ovšem pomůže ke βIf, on the other hand, the composition of the liquid is unchanged so that there is no change in the surface tension, the height of the projection produced by the discharge from the nozzle 1 will depend on the size of the flow passing through the nozzle 1 and thus the sensor. The increase in flow results in an increase in the height of the projection and thus in the enlargement of the portion of the beam 9 which does not fall into the light-responsive electrical element 7. In this case, also changes in the water level will occur at a greater distance from the projection: As the flow rate increases, the liquid will overflow at a greater height above the overflow edge 3, but this will help β

zvýšení výšky výstupku částečně zakrývajícího světelný svazek. Tento efekt lze ovšem zvýraznit tím, že vodorovná šířka přepadové hrany 3 bude volena malá, menší než obvod okraje nádoby 2 na obrázku. Tím se také zjednoduší odvod přetékající kapaliny, na obrázku zajišťovaný sběracím prstencem 8, vedoucím do vývodu 80.increasing the height of the projection partially covering the light beam. However, this effect can be accentuated by the horizontal width of the overflow edge 3 being chosen to be small, less than the perimeter of the edge of the container 2 in the figure. This also simplifies the discharge of the overflowing liquid, provided in the figure by a slip ring 8 leading to the outlet 80.

Snímač podle tohoto vynálezu může být zvláště výhodný pro takové aplikace, kde se žádá výstupní signál pneumatický — jako je tomu tam, kde se pracuje s hořlavými kapalinami, například v petrochemickém průmyslu, kde není práce s elektrickými signály bez nebezpečí, neboť zkraty, například při náhodných mechanických porušeních vodičů pohybujícími se předměty, nelze při práci s elektrickým proudem nikdy zcela vyloučit a i nepatrná jiskřička stačí k tomu, aby došlo k výbuchu. Detekce výšky výstupku může být pneumaticky provedena velmi jednoduše a levně. Jednou takovou možnosti je umístit svrchu proti výstupku druhou, detekční trysku, připojenou na zdroj vzduchu o mírném přetlaku — bude-li rozměr ústí detekční trysky malý a přiváděný přetlak nevelký, nedojde k podstatnému ovlivnění výstupku; jinak lze ovšem vždy takové ovlivnění zahrnout do kalibrace snímače. Mezi zdroj vzduchu a detekční trysku je vhodné zařadit lokální zúženi — pneumatický odpor. Nemusí však být nutné, jeho úlohu zastane odpor přívodního kanálku. Výstupní pneumatický signál se pak odebírá mezi detekční tryskou a tímto pneumatickým odporem. Zvětší-li se výška výstupku, zmenší se mezera mezi kapalinou a ústím detekční trysky, jejíž dissipance se tak zvětší a zvýší se tak výstupní tlak. Naopak zvětší-li se tato- mezera, dissipance trysky poklesne, větší část napájecího tlakového spádu se zmaří na zmíněném, pneumatickém odporu a výstupní tlak poklesne. Detekční ústrojí může být uspořádáno i tak, že detekční tryska bude mít formu duté tenké jehly zasahující až do kapalinového výstuku, takže vytékající vzduch musí probublávat kapalinou. Cím vyšší je výška výstupku nad nehybným ústím jehly — tj. čím vyšší je zjišťovaný průtok nebo čím nižší je zjišťované povrchové pnutí — tím větší tlakový spád musí probublávající vzduch překonávat a tím vyšší je výstupní tlak.The sensor according to the invention may be particularly advantageous for applications where an output signal is pneumatic - as is the case where flammable liquids are used, for example in the petrochemical industry, where electrical work is not dangerous because of short circuits such as Accidental mechanical breakdown of the conductors by moving objects can never be completely ruled out when working with electric current, and even a tiny spark is sufficient to cause an explosion. Detection of the protrusion height can be done pneumatically very simply and inexpensively. One such option is to place a second detection nozzle upstream of the projection connected to a moderate positive pressure air source - if the size of the detection nozzle mouth is small and the applied overpressure is small, the projection will not be significantly affected; otherwise, however, such an influence can always be included in the sensor calibration. It is advisable to include a local constriction - pneumatic resistance - between the air source and the detection nozzle. However, it may not be necessary, its inlet duct resistance will play its role. The output pneumatic signal is then taken between the detection nozzle and this pneumatic resistance. As the height of the projection increases, the gap between the liquid and the mouth of the detection nozzle is reduced, the dissipation of which increases and the output pressure increases. Conversely, if this gap increases, the dissipation of the nozzle decreases, the greater part of the supply pressure drop is thwarted at said pneumatic resistance, and the outlet pressure drops. The detection device may also be arranged such that the detection nozzle is in the form of a hollow thin needle extending into the liquid outlet, so that the escaping air must be bubbled through the liquid. The higher the projection height above the stationary orifice of the needle - i.e., the higher the flow rate detected or the lower the surface tension detected - the greater the pressure drop must overcome the bubbling air and the higher the outlet pressure.

Snímač podle vynálezu může být využit v celé řadě průmyslových oborů, všude tam, kde je zapotřebí sledovat průtok a složení kapalin, například v chemickém, zejména petrochemickém,, nuebo· v potravinářském průmyslu. Je vhodný jak pro provozní měření, tak i pro využití v laboratorních přístrojích.The sensor according to the invention can be used in a wide variety of industries, wherever the flow and composition of liquids need to be monitored, for example in the chemical, particularly petrochemical, or food industry. It is suitable both for process measurements and for use in laboratory instruments.

Claims

SUBJECT

Flow and / or liquid composition sensor, characterized in that a nozzle (11) is connected to the liquid inlet (10), the mouth (1a) of which is oriented upwards and lies below the overflow edge (3) of the container (2) in which the nozzle (1) is located, and above the nozzle (1), higher than the overflow edge (3), there is a liquid height detecting device.

2. The transducer according to claim 1, wherein the liquid height detecting means

OF THE INVENTION consists of a light source (6) on one side and an electrical light-responsive element (7) on the other side with respect to the rod (1).

3. The transducer according to claim 1, wherein the liquid height detecting means consists of a detection nozzle connected via a pneumatic resistor to a source of pressurized gas, in particular air, wherein an output pneumatic signal is output between the detection nozzle and the pneumatic resistor.

1 letter of the drawing