CS233292B1 - Digitální průtokomě - Google Patents

Abstract

Vynález se týká digitálního průtokoměru. Do potrubí (1) je pomocí injekční trysky (3) připojena expanzní komůrka (2) s elektrofluidickým převodníkem, napojeným na zdroj elektrických impulsů, který je tvořen zapalovací soustavou (54) pro osobni automobily a zdroj elektrických impulsů je svým ovládacím vstupem napojen přes dělič (53) frekvence na oscilátor (51). Výstupní vývod oscilátoru (51) je veden přes hradlo (52) do výstupu (5) průtcikoměru. Přívod ovládacích signálů hradla (52) je napojen přes spouštěcí obvod (55) na směrově citlivý snímač (4) proudění. Směrově citlivý snímač (4) proudění je tvořen vírovou komůrkou (41), opatřenou fluidoeleklrickým převodníkem, tvořeným snímacím termistorem (44) a referenčním termistorem (43). Vírová komůrka (41) je spojena s dutinou potrubí (1) komunikačním okénkem (42), umístěným ve směru průtoku (6) za injekční tryskou (3) na stěně potrubí (1).

Description

Vynález se týká digitálního průtokoměrů, to je zařízení k mě ření průtoku tekutiny potrubím a převede» téte měřené hodnoty na číslicový výstupní signál.

Měření průteku patří v současné průmyslové měřící technice k vůbec nejčastěji se vyskytujícím úlohám. Dosavadní průtokoměry jseu však v naprosté většině převedeny tak, že generují úrovňový, tak zvaný' analegevý signál. Ten pak musí být převáděn na signál v digitální podobě jaký je zejména potřebný, má-li být průtok v regulačním systému vyhodnocován a popřípadě ovládán mikro-. procesorem - prostřednictvím analogově číslicového převodníku.

Je to řešení drahé a choulostivé,vzhledem ke složitosti může snadno docházet k poruchám a preto se za všeobecně mnohem výhodnější považují novější převodníky generující signál zakódovaný ve frekvenci fluidicky generovaných pohybů nebo oscilací. Patří sem například známá vrtulková měřidla s elektrickým snímáním přeběhů jednotlivých listů vrtulky kolem pevného Čidla. Nevýhodou ovšem je mechanická choulostivost vrtulky, nejistá a proměnná velikost tření a postupná ztráta přesnosti způsobená vyběhéním uložení v němž se vrtulka otáčí. Vhodnější jsou čistě fluidické průtokoměry tvořené v podstatě fluidickým zesilovačem bez pohyblivých součástek se vstupem zapojeným zpětnovazební smyčkou na výstup, takže v něm dochází k samobuzeným oscilacím^hsjich frekvence závisí na procházejícím průtoku. I toto řešení má však řadu nevýhod, především obvykle značnou velikost hydraulických ztrát ve složitě tvarovaných dutinách oscilátoru. Také cena výroby složitých dutin bývá značné a k nevýhodám patří také malá odol nost proti pevným částicím neseným tekutinou, které se mnohdy ve skutečném převozu v tekutině vyskytují, například při rozvodu zem ního plynu se někdy mluví o tom, že unášené částice zeminy strhávané tekutinou jsou v takové koncentraci, že lze až mluvit o sus- 2 233 2S2 penei. Jakékoliv pevné části digitálních průtokoměrů libovolného dosavadního druhu, zasahující do protékaného potrubí, jsou abrasifcním účinkem těchto křemičitých částic záhy vyšlehány k nepoznání.

Problém je řešen digitálním průtokoměrem podle tohoto vynálezu, jehož podstatou je, že do potrubí je pomocí injekční trysky vyústěna expansní komůrka s elektro fluidickým převodníkem napojeným na zdroj elektrických impulsů, který je například tvořen zapalovací soustavou pro osobní automobily a zdroj elektrických impulsů je svým ovládacím vstupem napojen přes dělič frekvence na os cilátor a výstupní vývod oscilátoru je veden přes hradlo do výstupu průtokoměru a přívod ovládacích signálů hradla je napojen například přes spouštěcí obvod na směrově citlivý snímač proudění, tvořený vírovou komůrkou, opatřenou fluidoelektrickým převodníkem tvořeným například snímacím termistorem a referenčním termistorem, přičemž vírová komůrka je spojena s dutinou potrubí komunikačním okénkem, umístěným ve směru průtoku za injekční tryskou na stěně potrubí.

Největší výhodouprůtokoměru podle vynálezu je to, že do vlastního potrubí vůbec nezasahují žádné součástky, průřez potrubí není nijak omezen nebo zmenšen. Pouze ve dvou místech vyúsťují do potrubí malé otvory, ústí injekční trysky a komunikační okénko.

Přítomností průtokoměru tedy nevznikají vůbec žádné hydraulické ztráty, respektive ztráty jsou naprosto zanedbatelné v· srovnání s vrtulkovými měřidly nebo měřidly založenými na vyvolání oscilací v tekutině.

z

Nezanedbatelnou výhodou je i nízká cena, neboí expansní komůrka s injekční tryskou a vírová komůrka jsou výrobně mimořádně jednoduché součástky, oproti potrubí jsou velmi malého rozměru. Dražší než tyto mechanické součástky je ovšem elektronická část, například oscilátor, dělič frekvence, generátor pulsů přiváděných do elektrofluidického převodníku v expansní komůrce, hradlo a tak dále. Je ovšem nutné vidět, že ceny elektronických součástek vykazují velmi výrazný trend trvalého poklesu a již dnes jsou značně nízké. Nejde o nějak neobvyklé nebo

- 5 233 292 nestandardní ebvady a většina z uvedených elektrenických obvodů jetu běžné integrované ebvady hromadně vyráběné· Mimořádná se mů· že jevit nanejvýš výkonová čést generáteru pulsů v expansní komůrce. Ukazuje se však, že základní úloha, přivedení krátkodobého proudového nebe napěťového pulsu, je shedné s úlohou, kterou řeší běžné tyristorové nebe transisterevé zapalování pre esební automobily a jeví se naprašte přijatelné a cenavě pak jistě i výhadné paužít tedy přímo standartně vyráběnou takovou zapalovací soustavu.

Významnou výhodou, spojenou a výše uvedenou skutečností, že do potrubí nezasahují žádné vystupující součásti je i vysoké odolnost průtokoměru podle tohoto vynálezu proti účinkům aechanicxých částic, například zrníček zeminy unášených tekutinou v potrubí. Nedochází k nárazům částic na součástky a tedy ani k abrasivnímu opotřebení součástek. V zásadě nemusí funkci průtokoměru nijak ovlivnit ani to, vniknou-li injekční tryskou nebo komunikačním okénxem některé tyto čásiice do expansní komůrxy nebo vírové komůrky. Není však nijak obtížné umístit obě komůrxy na horní straně potrubí tak, aby v klidovém stavu Částice z těchta komůrek vypadly ven vlastní váheu.

Konečně volný průchod plným průřezem potrubí v průtokoměru podle tohoto vynálezu může být závažnou výhodou tam, kde mají potrubím procházet pevná tělesa. Dosavadní průtokoměry něca takového prakticky zcela vylučovaly. Požadavek tohoto druhu však může být zejména častý právě tam, kde procházející tekutina je znečistěná unášenými Částicemi a je namístě pravidelné čistění vnitřku potrubí například protažením čistícího válcového kartáče.

Digitální průtokoměr podle vynálezu a jeho účinky jsou blíže popsány na příkladu jeho provedení s pomocí přiloženého výkresu, kde obr. 1 představuje blokové schéma digitálního průtokoměru podle vynálezu, obr. 2 představuje průběh rychlosti pohybu tekutiny detekovaný na snímači v digitálním průtokoměru podle vynálezu a obr. 3 představuje časový průběh výstupního signálu digitálního průtokoměru podle vynálezu.

- 4 233 292

Do potrubí 1, jímž prochází průtok 6, je pomocí injekční trysky 2 připojena expansní komůrka 2 β elektrofluidickým převodníkem, napojeným na zdroj elektrických impulsů. Zdroj elektrických impulsů je β výhodou tvořen zapalovací soustavou 54 P¹*· osobní automobily. Zdroj elektrických impulsů je svým ovládacím vstupem napojen přes dělič 55 frekvence na oscilátor 51. Výstupní vývod oscilátoru 51 je veden přes hradlo 52 do výstupu 5 průtokoměru. přívod ovládacích signálů hradla 52 je napojen přes spouětěcí obvod 55 na směrově citlivý snímač 4 proudění, tvořený vírovou komůrkou 41« opatřenou fluidoelektrickým převodníkem, tvořeným snímacím termistorem 44 o referenčním termistorem 45. Vírová komůrka 41 je spojena s dutinou potrubí 1 komunikačním okénkem 42, umístěným ve směru průtoku 6 za injekční tryskou 2 na stěně potrubí 1.

Tento průtokoměr pracuje tak, že do průtoku^rocházejícího potrubím%e injekční tryskou v pravidelných intervalech, určených frekvencí elektrického esciláterd^vypouští krátkodobě vytékající tekutinový proud vytvořený expansí tekutiny v expansní komůrce^ Zatímco základní průtok potrubíníTje pouze axiální, injekční tryska^hení axiálně směrována a vytváří tak v potrubí^ jistou tangenciální složku proudění. Proudění s tangenciální složkou, mající například charakter vírového prstence, je pak axiálním průtokem unášeno ke směrově citlivému snímači proudění. Ten je orientován tak, že nereaguje na axiální složku pohybu tekutiny v potrubí. Zato tangenciální složka vytvořená výtokem z injekční trysky/á donesená sem měřeným průtokem vyvolá ve snímači výstupní signál. Pulsy vytvářené oscilátoreic%iejen v pravidelných intervalech, po snížení frekvence, ovládají výtok z expansní komůrky?ale současně jsou vedeny do výstupu průtokoměru.

*

Procházejí přes hradloTuzavírané signálem ze směrově citlivého snímače%roudění. Jakmile vírový prstenec dorazí k tomuto snímači, průchod pulsů z osciláteru/na výstup se přeruší. Počet prošlých pulsů n závisí ovšem na třech faktorech: na frekvenci oscilátoru^na vzdálenosti mezi injekční tryskou/a snímačem?» konečně na velikosti průtoku a tím i rychlosti, s jakou je vírový prstenec unášen potrubím. Přibližné lze vyjádřit závislost mezi měřeným průtokem oM /kg/s/ a počtem pulsů prošlých do výstupu

- 5 průtokoměru n vztahem βΐντ — ?·%·£ ^eM v.n ^{233 232}

Injekční kde 2 /*/ j« axiální odlehlost snímače octytrysky, F /a²/ je průřez potrubí, f /Hz/ je frekvence oscilátoru a v /m^/kg/ je specifický ebjem přetékající tekutiny. Skutečnau závislost, beroucí v úvahu různé sekundární vlivy jak· je rozptyl hybnosti vírového prstence v okolní tekutině, nerovnoměrnost rozložení rychlosti preudění v průřezu potrubí atd.,Je «všem účelné zjistit acejchováním přístroje. V zásadě však bude vždy platit, že ze zjištěného počtu pulsů, změřeného např. čítačem připojeným na výstup průtokoměru podle vynálezu, lze jednoznačně stanovit velikost procházejícího průtoku tekutiny, přičemž údaj je na výstupu k disposici v digitální podobě, v hodnotě počtu prošlých pulsů.

Potrubí 1, jímž prochází průtok 6, je na obr. 1 znázorněno v perspektivním pohledu. V tomto případě ústí do potrubí 1 injekční tryska 2 tangenciálně. Dojde-li k expansi tekutiny v napojené expanzní komůrce 2, bude tekutina vytékat z injekční trysky 2 že bude sledovat stěnu potrubí 1. Vyvolá se tedy na určitém úseku proudící tekutiny rotace kolem osy potrubí 1. Šroubovicová trajektorie rotující tekutiny je na obr. 1 nakreslena čárkovaně a sice již v určité vzdálenosti za ústím injekční trysky 2 ▼« směru průtoku 6. Ve vzdálenosti Z od ústí injekční trysky 2 ▼ tomto směru je umístěn směrově citlivý snímač £ preudění. Ten do potrubí 1, jak je patrné, nezasahuje. Je s dutinou potrubí 1 propojen pouze komunikačním okénkem 42. Základní částí směrově citlivého snímače £ proudění je vírová komůrka 41 nízkéhe válcového nebo obecně rotačně symetrického tvaru, kde osa rotační symetrie vírové komůrky 41 leží rovnoběžně s osou potrubí 1. Dorazí-li vírový pohyb v potrubí 1, vyvolaný výtokem z injekční trysky 2 *ž ke komunikačnímu okénku £2, vyvolá se ve vírové komůr ce 41 rotační proudění. Samotné axiální preudění v potrubí 1 takovou rotaci kolem osy vírové komůrky 41 vyvolat nemůže.Ve vírové komůrce 41 jsou umístěny referenční termistor 43 a snímací termistor 44. Předpokládá se, že oba jsou zapojeny na navazující elektrické obvody tak, že se jako signál uplatní rozdíl mezi napěťovými spády vyvolanými ochlazením termistoru, trvale ohřívá- 6 233 292 ných průchedem elextricxéhe proudu. Nedechá»á-±i ve vírové komůrce 41 k retaci, je teplete referenčního termistoru 45 a snímacího termistoru 44 ovšem prakticky stejná. I když čude mít tekutina přetékající potrubím 1 nxžší teplotu, nepřejeví se taxe ocnlazení ve výstupu směrově citlivého snímače £ proudění nebot se ochladí referenční termistor 45 a snímací termister 44 současně a výsledný rozdílový signál bude nulový. Referenční termistor 45 má právě tento účel potlačit vliv takového ochlazení tekutiny nebe kolísání napájecího napětí, které by se jinak projevily ve výstupním signálu snímače.

Elektronická část průtokoměru je na obr. 1 naznačena vpravo jednotlivými funkčními bloky· Základem je esciláter 51, generující na svém výstupu sled pulsů s konstantní opakovači frekvencí f. Tento signál je veden jednak přes hradlo 52 do výstupu 2 průtokeměru, jednak je veden do děliče 55 frekvence odkud vystupují osamělé pulsy vždy až po době řádu několika sekund. K vyvolání výtoku z injekční trysky 2 je v tomto případě využito ohřátí tekutiny v expanzní komůrce 2 energií výboje mezi elektrodami běžné automobilové zapalovací svíčky. Mezi pulsy je energie akumulována v kondensátoru zapalovací soustavy 54. která je rovněž standardním výrobkem s původním určením pro zážehové motory osobních vozidel. Při každém pulsu přivedeném na vstup zapalovací soustavy 54 se současně přivádí signál START do hradla 52, které se tím otevře a propouští pak pulsy z oscilátoru 51 na výstup 2 průtoxoměru. To trvá tak dlouho, než vytvořený vírový pohyb dorazí ke směrové citlivému snímači 4 proudění a vyvolá rotací ve vírevé komůrce 41. Diferenčním ochlazením referenčního termistoru ££ a snímacího termistoru 44 je pak totiž vyvolán signál STOP, který je rovněž zaveden de hradla 52 a způsobí přerušení dalšího postupu pulsů z oscilátoru 51 de výstupu 2 průtokoměru.

Na obr. 2 je zachycen časový průběh proudění ve vírevé komůrce 41 směrově citlivého snímače 4 pre různé případy vzdáleností 2 mezi ústím injekční trysky 2 ^a komunikačním okénkem 42. Projevuje se vliv difuse hybnosti vírového pohybu. Kdyby bylo komunikační okénko 42 v nulofcé odlehlosti, dostal by se na snímacím termiate233 292 ru li téměř obdélníkový průběh napětové změny, kopírující impulsní průběh výtoku z injekční trysky Ve větší axiální odlehlosti 2 i se však již amplituda proudění a tím i amplituda napětové změny na snímacím termistoru 44 zmenší a zmenší se strmost náběžné i týlové strany časovéhs průběhu. Tento charakter změny se ještě více projeví ve větší vzdálenosti i > případně ještě větší Ly. Chce -li/doséhnout větší přesnosti měření průtoku tím, že se volí větší odlehlost Ž /obr. 1/, zhoršuje se na druhé straně rozlišovací schopnost nebol u velmi plochého průběhu pro vzdálenost 2e-4 lze již stěží hovořit o nějakém jednoznačném okamžiku v němž puls dorazí. V takovém případě není tedy hradlo 52 uzavíráno přímo signálem zavedeným z referenčního termistoru 43 a snímacího termistoru 44. ale ke generaci signálu STOP slouží speuštový obvod £2· ^Ten fhnguje tak, Že v něm dojde k překlopení logické úrovně právě tehdy, dosáhne-li vstupní signál určité hodnoty £ /obr. 2/. Na obr. 2 je naznačen časový úsek A t. který uplyne právě od vyslání impulsového průtoku z injekční trysky £ do okamžiku než spouštěcí obvod 55 překlopí; směrově citlivý snímač £ proudění je přitom umístěn ve vzdálenosti

Obr. 3 pak zachycuje odpovídající průběh napětí na výstupu £ průtokoměru. V okamžiku, kdy dělič 53 frekvence generuje signál START, a dojde tedy hned na to ke generaci výtokového impulsu z injekční trysky 2, začínají na výstup 2 průtokoměru procházet pulsy vytvářené v oscilátoru 51. Doba pohybu tekutiny v potrubí 1, odpovídající době A t do překlopení spouštěcího obvodu 55 je určena počtem pulsů n prošlých na výstup £ průtokoměru před uzavřením hradla 52. Měřený průtok 6 je zde tedy nepřímo úměrný údaji na čítači připojeném k výstupu £ průtokoměru. To se nepovažuje za nějakou nevýhodu nebot se nepředpokládá, že by průtokoměr podle vynálezu byl používán pouze v aplikacích kdy jde o prostou indikaci naměřených hodnot, ale především se očekává uplatnění, kdy generovaný signál bude dále zpracováván a využíván v napojených číslicových obvodech. Ovšem při použití k prosté indikaci by indikující čítač byl zapojen nikoliv k zjištování počtu pulsů, ale ke zjištování efektivní hodnoty periody frekvence počítané ovšem i z doby, kdy je hradlo 52 uzavřeno a pulsy oscilátoru 51

233 292

-8jím neprocházejí. Pak většímu počtu přešlých pulsů při menším průtoku odpovídá i kratší průměrná perieda a tedy nižší indikovaný číselný.údaj·

Průtokoměr podle tohoto vynálezu není závislý na použití snšrově citlivého snímače £ proudění majícího ve vírové komůrce 41 právě referenční termistor 45 a snímací termistor ££. Je tam možné využít i jiných forem fluidoelektrického převodu. Například může vírová komůrka 41 přiléhat k potrubí 1 komunikačním okénkem 42 nacházejícím se na boční nebo spodní straně potrubí 1 a v nejnižším místě vírové komůrky 41 je pak neprůsvitná kulička přerušující světelný svazek ze zdroje, například svítivé diody. Jakmile ke komunikačnímu okénku 42 dorazí proudění s tangenciální složkou směru pohybu, vytvoří se také ve vírové komůrce 41 indukované vírové prouděni, ale namísto toho, že by se tímto prouděním ochlazoval snímací termistor 44. vyvolá toto vírové proudění výchylku kuličky z její dolní polohy. Tím se odkryje světelný svazek, který například dopadne na fotodiodu. Takovéto uspořádání je ovšem méně vhodné pro použití na dopravních prostředcích, například v automobilech nebot při jejich zrychlených pohybech by docházelo též x vychýlení kuličky, na druhé straně je však výnodou, že pak může odpadnout spouštěcí obvod 55. k vychýlení kuličky a odpovídajícímu náhlému odkfcytí světelného svazku dojde až při dosažení určité intenzity vírového pohybu ve vírové komůrce 41. takže’ vlastně již sám směrově citlivý snímač £ proudění má spouštový charakter funkce.

Řadu variant uspořádání lze volit pro elektrofluidický převodník expansní komůrky 2. Kromě zmíněné možnosti využití energie uvolněné výbojem může v zásadě být využíván i ohřev působením velkého elektrického proudu náhle prošlého topnou spirálou napnutou napříč expansní komůrky 2. Namísto transformace na vysoké napětí v zapalovací cívce u uspořádání se zapalovací aevíčkeu by v tomto případě byl použit naopak transformátor dávající na výstupu velký proud při poměrně velmi malém napětí. Alternativou, pracující ovšem s pohyblivými nebo deformovátelnými součástkami, což je méně příznivé pro dlouhodobou funkční spolehlivost, může být uspořádání s cívkou, přitahující při průchodu proudu pístek

- 9 233 292 zasahující de expansní kantůrky a vracený nazpět pružinau; naaíata pístku může být elektremagnetem přitahavána acelavé víčka kemůrky při pájené k estatním stěnám expansní keiůrky 2 vlnevcem. Dachézí pak ke změně ebjemu expansní kemůrky 2 vlivem defermace vlnavce vyvalené elektromagneticky. U měření průteku hařlavé tekutiny, například zemníhe plynu, může být v uspořádání s ventilkem, vpouštějícím vzduch z atmasféry, mažné generavat velmi intensivní pulsy malými výbuchy přebíhajícími v expanzní kenůrce

2. Právě prate, Že se zajistí přivedení jen malěha množství vzduchu, není jinak nebezpečí, že by vzplanula nebe vybauchla veškerá tekutina v patrubí 1. prataže se pak nemusí vystačit s pauze elektrickau energií, ale uvelní se energie chemická, je mažné takavýmite miniaturními výbuchy uvést da pahybu s tangenciální slažkau i mnahem větší přecházející průtaky. Takevéte řešení by mehla být účelné například při depravě zemního plynu petrubími velmi velkých rezměrů.

Předpokládá se, Že digitální průtekeměr pedle vynálezu najde uplatnění při praktických, průmyslových provozních měřeních průteku tekutin, například v chemickém, potravinářském průmyslu nebe v energetice, a ta zejména tam, kde jde e měření průteku tekutiny značně znečištěné unášenými pevnými částicemi. Může avšem být využit i například při měření průteku chladicích tekutin, maziva nebe paliva u meterevých vozidel a jiných depravních přestředků.

Claims (1)

1. PŘEDMĚT VYNÁLEZU

   233 292

   Digitální průtokoměr vyznačující se tím, že do potrubí /1/ je pomocí injekční trysky /3/ vyústěna expanzní komůrka /2/ s elektrofluidickým převodníkem, napojeným na zdroj elektrických impulsů, který je například tvořen zapalovací soustavou /54/ pro osobni automobily a zdroj elektrických impulsů je svým ovládacím vstupem napojen přes dělič /53/ frekvence na oscilátor /51/ a výstupní vývod oscilátoru /51/ je veden přes hradlo /52/ do výstupu /5/ průtokoměru a přívod ovládacích signálů hradla /52/ je napojen například přes spouštěcí obvod /55/ na směrově citlivý snímač /4/ proudění, tvořený vírovou komůrkou /41/, opatřenou fluidoelektrickým převodníkem, tvořeným například snímacím termistorem /44/ a referenčním termistorem /43/, přičemž vírové komůrka /41/ je spojena s dutinou potrubí /1/ komunikačním okénkem /42/, umístěným ve směru průtoku /6/ za injekční tryskou /3/ na stěně potrubí /1/.