Plovákový průtokoměr sestávající z alespoň jedné trubice (3), ve které je umístěn plovák (4) z elektricky vodivého materiálu a vně trubice (3), z elektricky nevodivého materiálu je navinuta cívka (1), u které se stoupání závitů mění od jednoho konce k druhému, přičemž cívka (1) je připojena k zařízení pro měření hodnoty indukčnosti cívky (1).

Plovákový průtokoměr s elektrickým výstupem

Oblast techniky

Vynález se týká plovákového průtokoměru sestávajícího z alespoň jedné trubice, ve které je umístěn plovák.

Dosavadní stav techniky

Plovákové průtokoměry pracují buď na principu proměnného průřezu, tj. s vedeným plovákem, nebo se stabilizací rotací - rotametry, nebo s proměnnou silou s vloženou pružinou. Jako snímače bez elektrického výstupu jsou snadno vyrobitelné, spolehlivé a rotametry jsou velmi přesné.

Základním problémem je převod polohy plováku uvnitř proudícího média na elektrický signál.

Používaná řešení jsou buď nespojitá, u kterých snímač detekuje průchod plováku konkrétní polohou, a to například optickou závorou, nebo indukčně průchodem cívkou, která je umístěna v konkrétním místě snímače, nebo opticky fotobuňkou, nebo spojitá, zpravidla s magnetickým převodem vně trubice, u kterých se vyhodnocuje poloha vyvedená mimo měřicí trubici vhodným snímačem polohy, neboje poloha snímána opticky, kamerou.

Nespojitá řešení lze obtížně použít k regulaci - náhrada spojité regulace dvou, či vícepolohovou vede k velkému kolísání řízené veličiny se všemi zejména ekonomickými důsledky.

Vyvedení polohy plováku vně trubice se může projevovat nepřesnostmi měření, protože přibývá tření, a systém je konstrukčně složitý a poruchový.

Optické snímání kamerou vyžaduje náročné vyhodnocení - relativně drahý vestavěný počítač, prostor pro zabudování kamery a je náchylný na znečištění jak trubice, tak objektivu kamery. Vyhodnocování obrazu je programově náročné a jako každé takové řešení nespolehlivé, například možnost detekce vrženého stínu nebo letící mouchy místo plováku.

Při rešerši podle katalogů výrobců byly nalezeny jen výše uváděné metody snímání, například firma Rota Yokogawa nabízí rotametry s výše popsaným indukčním prstencem, který umožňuje detekovat, zdaje plovák nad, nebo pod (umístěním prstence) zvolenou hodnotou (nespojité; viz Model RAGN Glass Rotameter, Users manual, Rota Yokogawa GmbH & Co.,Germany,2011“), Obdobné řešení nabízí například firma King Instrument Company, 12700 Pala Drive Garden Grove, CA 92841, USA, viz katalog „7430 Series - Glass Tube Flowmeters“.

Snímání přenášením polohy plováčku magneticky vně nerezové trubky používá například firma Kobold (viz „Full Metal Variable Area Flow Meter and Counter, katalog, Kobold Messring GmbH, Germany, 2013“, viz také propagační článek „Kobold a Heinrichs spojily své síly“, Automa 2008, č. 04, str. 54, Snímání polohy fotobuňkou (nespojité) je běžné v laboratořích, snímač průchodu konkrétní polohou („optickou závoru“) je třeba koupit odděleně, výrobci průtokoměrů ji společně s rotametrem nedodávají.

Rešerší literatury podle katalogů Web of Science a Journal Citation Reports nebylo nalezeno snímání polohy plováčku rotametru indukčně s analogovým (spojitým) výstupem.

- 1 CZ 305804 B6

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky odstraňuje plovákový průtokoměr s elektrickým výstupem sestávající z alespoň jedné trubice, ve které je umístěn plovák, podle tohoto vynálezu. Jeho podstatou je to, že plovák je z elektricky vodivého materiálu a vně trubice, z elektricky nevodivého materiálu, je navinuta cívka, u které se stoupání závitů mění od jednoho konce cívky ke druhému konci cívky, přičemž cívka je připojena k zařízení pro měření hodnoty indukčnosti cívky.

Trubice může být válcová a plovák je opatřen pružinou, nebo kuželová a plovák je ve tvaru rotujícího plováku. Trubice může být i průhledná. Plovák nemusí být kovový, pokud bude mít jinou permeabilitu, než proudící kapalina.

K jedné trubici může být připojena další trubice bez plováku.

Vně trubice je navinuta cívka, jejíž hustota závitů, tj. stoupání se zvyšuje od jednoho konce cívky na druhý a vložený plovák - kovový nebo z jiného vodivého materiálu, podle své polohy mění hodnotu indukčnosti cívky, kterou lze snadno vyhodnocovat.

Výhody navrženého řešení jsou zejména v tom, že se jedná o konstrukčně i technologicky velmi jednoduché řešení, bez přidaných pohyblivých dílů, takže také velmi spolehlivé. Jednoduché mohou být i vyhodnocovací obvody pro získání spojitého výstupu - indukčnost lze snadno převést na frekvenci a digitalizovat, výstup pak lze řešit jednočipovým počítačem bez nároku na nákladné A/D převodníky, stabilizovaná napětí a podobně. Průtokoměr může měřit širokou škálu kapalin bez ohledu na vodivost a plynů, přičemž může měřit i neprůhledné kapaliny či plyny.

Průtokoměr má vysokou životnost, zejména u řešení s rotujícím plovákem jedinou pohyblivou součástí je plovák, u kterého nedochází k opotřebení - pokud u abrazivních tekutin dochází k opotřebení, je menší a má menší vliv na elektrický výstup, než u jiných druhů průtokoměrů. Řešení je nenáročné na údržbu - plovákové průtokoměry mají menší náchylnost k zanášení, než jiné průtokoměry s elektrickým výstupem signálu. U tohoto řešení žádný pohyblivý prvek neprochází těsněním, proto je vhodné i v případech, kdy je nutná vysoká spolehlivost těsnění, jako je tomu u jedů, žíravin a podobně.

Změna indukčnosti cívky je pro dané médium závislá převážně na poloze plováku; drobné odchylky s teplotou či změnou složení média lze snadno kompenzovat na úrovni přesnosti a ceny, kterou si zvolíme, přičemž úplná kompenzace cenu měřidla nejvýše zdvojnásobí. Doplnění cívky lze provést konstrukčně tak, že mezerami mezi závity je stále viditelný plovák a je stále možné orientační odčítání průtoku zrakem - v mnoha aplikacích nebude třeba v místě měření dodatečný display, nebo druhý průtokoměr, jak je tomu u jiných řešení.

Zařízení zachovává možnost vytvořit plovákový průtokoměr i pro velmi malé průtoky, které jsou jinak jen těžko měřitelné, pokud se požaduje elektrický výstup.

Elektrické snímání umožňuje použít obvody s velmi malou spotřebou, protože se pouze pasivně měří poloha a nemusí se vytvářet žádné dodatečné signály, jako je tomu u ultrazvukových průtokoměrů, ale zvláště u indukčních a tepelných průtokoměrů. To umožňuje realizovat celé elektrické snímání polohy s bateriovým napájením, popřípadě s akumulátory.

Možnost realizace s bateriovým napájením usnadňuje použití ve výbušném prostředí a také ve zdravotnictví, protože v takovém případě nehrozí úraz elektrickým proudem v případě poruchy zařízení, z důvodů snazší certifikace.

-2CZ 305804 B6

Oproti tepelnému průtokoměru je další výhodou, že se tepelně neovlivňuje protékající tekutina ohřev tekutiny může být v některých případech nežádoucí a také zbytečně zvyšuje spotřebu elektrické energie.

Objasnění výkresů

Plovákový průtokoměr podle tohoto vynálezu bude podrobněji popsán na konkrétních příkladech provedení s pomocí přiložených výkresů, kde na obr. 1 je znázorněn průtokoměr s válcovou trubicí v pohledu a v řezu. Na obr. 2 je znázorněn průtokoměr s kuželovou trubicí v pohledu a v řezu. Na obr. 3 je znázorněn v řezu průtokoměr s dvěma trubicemi a na obr. 4 je uvedeno příkladné schéma zapojení.

Příklady uskutečnění vynálezu

Příklad 1

Obr. 1 popisuje provedení, vycházející z průtokoměru s vloženou pružinou 2. Proud tekutiny 7 působí silou proti plováku 4, síla je vyrovnávána pružinou 2. Při měření průtoku s proměnnou silou je trubice 3 zpravidla válcová. Trubice 3 je provedena z nevodivého materiálu. Průtokoměr je zakončen přírubami 5 a 6, které mohou být vhodně upraveny podle požadavku na připojení do potrubí. Poloha plováku 4 se projevuje změnou indukčnosti cívky 1, která je vyhodnocována. Hustota závitů cívky 1 se mění od nízké v dolní části do velké v horní části. V dalším, neznázorněném, příkladu provedení se hustota závitů cívky J_ mění od nízké v horní části do velké v dolní části. Plovák 4 musí být z vodivého materiálu, typicky kovový, ale nemusí být kovový, pokud bude mít jinou permeabilitu než proudící tekutina 7. Změna rozměrů pružiny 2 při jejím stlačení může mít vliv na výslednou indukčnost, což lze kompenzovat kalibrací. Výhodou tohoto uspořádání je možnost využít pro trubici 3 a příruby 5 a 6 libovolný plast, neboje dokonce vyrobit jako jediný kus, což výrazně snižuje cenu průtokoměru. Další výhodou je možnost montáže v libovolné poloze. Oboje je vlastnost známého řešení plovákového průtokoměru, který je doplněn o elektrické vyhodnocení polohy plováku 4.

Příklad 2

Obr. 2 popisuje provedení, vycházející zprůtokoměru šrotujícím plovákem. Proud tekutiny 7 působí silou proti plováku 4, síla je vyrovnávána tíhou plováku 4. Tlakový spád je daný tíhou plováku 4 a je konstantní, trubice 3 je kuželová - průřez se rozšiřuje směrem nahoru. Trubice 3 je provedena z nevodivého materiálu. Průtokoměr je zakončen přírubami 5 a 6, které mohou být vhodně upraveny podle požadavku na připojení do potrubí. Poloha plováku 4 se projevuje změnou indukčnosti cívky 1, která je vyhodnocována. Hustota závitů cívky 1 se mění od nízké v dolní části do velké v horní části. V dalším, neznázoměném, příkladu provedení se hustota závitů cívky 1 mění od nízké v horní části do velké v dolní části. Plovák 4 musí být z vodivého materiálu, typicky kovový, ale nemusí být kovový, pokud bude mít jinou permeabilitu než proudící tekutina 7. Při tomto uspořádání je trubice 3 typicky skleněná, kterou lze vyrobit s dostatečnou přesností a tvarovou stabilitou včetně nezávislosti na teplotě a odolnosti proti agresivitě měřené tekutiny i prostředí. Nedochází zde ke tření, takže se dosahuje vysoké přesnosti měření. Uvedené výhody jsou vlastnosti známého řešení rotametru, který byl doplněn o elektrické vyhodnocení polohy plováku 4.

-3CZ 305804 B6

Příklad 3

Obr. 3 popisuje sestavu průtokoměru s úplnou kompenzací. Změna indukčnosti cívky 1 - hodnota L_l od jiných vlivů než polohy plováku 4 - teplota tekutiny 7, teplota okolí, změna permeability 5 i permitivity tekutiny 7, je kompenzována změnou indukčnosti cívky la - hodnota L2. Kompenzace je provedena zapojením podle Obr. 4 - cívky 1 jsou zapojeny v klasickém zdroji obdélníkových kmitů, kde nahrazují odpor u jednoho z RC článků, které stanovují frekvenci znázorněného multivibrátoru. Použité diody chrání vstupy integrovaného obvodu před zničením případným zákmitem nebo statickou elektřinou. Všech šest hradel je součástí jednoho integrovaného obvo10 du, takže zde je kompenzace se změnou teploty úplná. Použití dvou obvodů umožňuje kompenzovat závislost odporů a kapacit na teplotě i závislost zapojení na napájecím napětí - v rozsahu přípustného napájení integrovaného obvodu. Oba multivibrátory musí být uzavřeny ve společné nejlépe plastové krabičce, aby na ně vnější vlivy působily stejně. Kompenzace je provedena změřením obou frekvencí jednočipovým mikropočítačem, který může být připojen sériovým výstu15 pem například k počítači, nebo řídit připojený LCD zobrazovač se sériovým vstupem. Výhodou tohoto řešení je mimořádně nízká cena.

Průmyslová využitelnost

Plovákový průtokoměr s elektrickým výstupem podle tohoto vynálezu nalezne uplatnění jako levné a v případě zapojení s kompenzací chyb vyhodnocovacích obvodů i přesné měření průtoku nejen v laboratořích, například pro průtok chladicí vody, ale i pro agresivní a/nebo neprůhledné kapaliny nebo plyny. Použité měřidlo musí být kalibrováno pro měřené médium.