CZ50895A3 - Flow meter - Google Patents

Description

Vynález se týká měření rychlosti průtoku kapalxny~a/ne=. . bo celkové průtočné hmoty. Zejména se však, ale ne výhradně týká měření rychlosti průtoku a/nebo celkové hmoty průtoku mléka dodávaného po dobu dojení krav. V této aplikaci je vynálezu použito jako elektronického měřícího přístroje.

Za rychlost průtoku je považována rychlost protékající kapalinové hmoty za jednotku času, například kg/min. Za celkový průtok hmoty je považováno integrování průtočné rychlosti v předem stanovené době měření.

Dosavadní stav techniky

Při měření průtoku zvláště kapalin, které nejsou homogenní ve složení tak jako například, v průběhu strojního dojení mléka, jež pění následkem podstatného a kolísajícího množství pohlceného vzduchu a jiných plynů, je velmi obtížné docílit přesného určení průtočné rychlosti nebo celkové hmoty průtoku kapaliny. U mléka, přeteče obsahuje rozličná množství vzduchu a -iných plynů, přičemž hustota mléka může podstatně kolísat v průběhu dojícího procesu. Přijatelná přesnost celkové hmoty průtoku je asi 2% skutečného užitku dodávaného mléka. Bylo shledáno, že je obtížné, ne-li nemožné, aby vzduch byl odstraněn z mléka v takovém rozsahu, že by se docílilo této přesnosti, zatímco by se provádělo měření objemu mléka v průběhu dojení nebo velmi brzo po dojení. Jedním z hlavních úkolů měření celkové hmoty průtoku je určení mléčného užitku z každého· zvířete, přičemž podstatné odstranění plynu by vyžadovalo, aby mléko se získávalo v dávkách od jednotlivých krav ve značných časových intervalech, což je jasně nepraktické. Navržený způsob jak vyřešit problém kolísání hustoty měřeného objemu mléka je popsán v patentu

iditú^jVu^JtůL? ťáV^Lua.·-·.·^.· ·;Ά *. ř. .·.. ;Jí»i.'ifc.‘.-^!j'i'.M

US 5,035,139, kde pěnový profil mléka procházejícího komorou je měřen v různých výškách komory měřením specifických — - - -hodnot mléka.- Nicméně by bylo výhodné měření celkového prů- .

toku hmoty přímým způsobem spíše než početná měření objemu a hustoty.

^ř Úkolem předloženého vynálezu je proto získat měřící prostředky rychlosti toku a/nebo celkové hmoty toku, které by zjednodušovaly shora změněný způsob měření nebo, které by průmyslu poskytovaly užitečnější výběr.

Podstata vynálezu

Předmětem vynálezu je průtokoměr, jehož podstatou j e, ž e obsahuje komoru, vstupní komoru, výstup z komory, prostředky pro určení hmoty kapaliny v komoře, v níž tvar uvedené komory a/nebo-£var nejméně části dráhy průtoku kapaliny komorou je takový, rychlost průtoku zvolené kapaliny komorou je v podstatně lineárním vztahu ke hmotě měřené uvedenými prostředky.

Další hledisko vynálezu spočívá v tom, že průtokoměr obsahuje kromě měření rychlosti sumační prostředky k, určení celkové hmoty integrováním většího pcčtu měření rychlosti průtoku v závislosti na četě.

Ještě další hledisko podle vynálezu spočívá ve způsobu měření rychlosti průtoku kapaliny, při kterém je vážena protékající kapalina komorou, jejíž tvar a/nebo při nejmenším část cesty protékající kapaliny touto komorou je tvarována tak, že rychlost průtoku zvolené kapaliny je v podstatně lineárním vztahu k váze kapaliny uvnitř komory.

Jiné další hledisko podle vynálezu spočívá ve způsobu měření celkového průtoku hmoty kapaliny a integrování většího počtu měření rychlosti průtoku v závislosti na době k ur- . čení celkové hmoty kapaliny, jež protekla uvedenou komorou.

Přehled obrázků na výkresech

Průtokoměr bude dále popsán podle příkladů znázorněných na připojených výkresech jak následuje :

Obr. 1 je půdorys mechanických složek prvního tvaru přístroje pro měření rychlosti průtoku a/nebo celkové hmoty protékající kapaliny.

Obr. 2 je pohled ze strany na konstrukci v Obr.l,

Obr. 3 je řez podle AA v Obr. 2,

Obr. 4 je řez podle BB v Obr. 1,

Obr. 5 je půdorys rozdělovači desky použité v přístroji podle kteréhokoliv Obr. 1 až 4,

--“0brv~6—znázorňuje—rychlost-průtoku— zvolené—kapaliny—— přístrojem znázorněným v Obr. 1 až 5 vynášené^-v^—dřagramu v závislosti na váze kapaliny v přístroji zaregistrované membránovým napáječem,

Obr. 7 až 9 znázorňují tři dílčí pohledy na druhý tvar přístroje k měření rychlosti průtoku a/nebo celkové hmoty průtoku kapaliny a

Obr. 10 je blokové schéma obvodů zpracovávajících signál přístroje.

Příklad provedeni vynálezu

Průtokoměrem znázorněným v Obr. 1 až 5 protéká kapalina komorou 2, která je zavěšena uvnitř vnějšího pouzdra 20 v pomocí membránového napáječe 25, který generuje signál, jenž poskytuje měřítko rychlosti protékající kapaliny.

Do komory 2 v podstatě pohárovitého tvaru přitéká kapalina shora vstupním oddělením 3^, načež kapalina opouští komoru vedením 4^ stoupajícím vzhůru od základny komory 2. Vědění

4_ je otevřené na svém dolním konci £ a jeho stěna je opatřena podélnou štěrbinou 7_. Výhodný tvar štěrbiny 7_ tvoří v podstatě rovnoběžné strany, ačkoliv je možno použít také jiné tvary štěrbiny jako například štěrbinu rozšířenou směrem k dolnímu konci. Přitékající kapalina je ve vstupní oddělení _3 uložena a odtéká štěrbinou Ί_ k výstupu

-- Je-li měřenou kapalinou mléko se -sraženými částicemi nebo podobná látka, musí být šířka štěrbiny T_ dostatečná, aby takové částice mohly bez ucpávání procházet. Štěrbina 7 o šířce 2 mm byla shledána jako vyhovující, avšak je lepší, když je šířka takové štěrbiny T_ větší tak asi do 6 mm. Kde je použito štěrbiny ]_ s touto šířkou, je zapotřebí zadržovat průchod mléka štěrbinou T_, což lze dosáhnout pomocí přepážky Přepážka ÍJ je s výhodou značně zahnuta do oblouku a v provedení znázorněném na výkrese zahnutá přepážka JJ přesahuje o něco méně než je polovina cesty kolem obvodu vedení £. Alternativně lze přepážku (3 umístit spíše dovnitř vedení £ než ven jak patrno z výkresů. Alternativním tvarem přepážky než jak je znázorněno, který by byl výhodnější je šrouboviPožadováné mléko je zavedeno do vstupního oddělení 3/ pomocí rozdělovači desky 10, která je tvarována tak, aby odváděla mléko od horního konce do vedení 4^. Za tím účelem je rozdělovači deska 10 opatřena prstencovým .prohloubením 11 a většímpočtem otvoru 12 jak patrno z obr. 5, kterými mléko může odtékat. Vstupní horní komora 14 umístěná nad rozdělovači deskou dostává mléko vstupním průchodem 15 v tangenciálním směru.

Vzniká tím cyklonální nebo krouživý pohyb mléka, který přispívá k odvzdušňování mléka.

Uvnitř vnějšího pouzdra 20 je zavěšena komora _2 pohárovitého tvaru, jejíž horní část je vstupní komorou 14. Vnější pouzdro je opatřeno výstupem 21, kterým mléko vtékající do vedení 4. nakonec odtéká z výstupu jj.

Vnější pouzdro 20 je opatřeno převaděčem síly jakým je membránová napájecí buňka 25., která je spojena s komorou £ vhodným připojovacím členem 26. Jelikož jediným nosným prostředkem komory 2 je tento člen a přístroje se používá při svislé podélné osy komory 2y váha mléka v komoře 2_ způsobí deformaci membrány, což vyvolává změny průtahoměru napájecí buňky a tím kolísání odporu» jehož je využito pro změny výstupního napětí napájecí buňky.

Okamžitá váha mléka v komoře 2 tak udává zvětšení výstupního signálu, který lze měřit. Rychlost průtoku mléka za minutu vyhovuje v_podstatě lineárnímu vztahu se zřetelem na výstup napájecí buňky. Na Obr. 6 je graf výstupního napětí napájecí buňky v závislosti na rychlosti průtoku mléka pro popsaný-.- přístroj. Křivka 30 platí pro konfiguraci popsané komory, jejímž prostřednictvím bylo docíleno podstatné lineárnosti. Křivka 31 se vztahuje na komoru se dvěma páry rovnoběžných stran, z nichž jedna strana je opatřena obdélníkovou štěrbinou. Jak patrno je takové jednoduché uspořádání nelineární.

provedení znázorněném v Obr. 1 dro je poněkud vejčitého tvaru vztahem

V(h) =

HlclX IHctX kde V(h) je objem pouzdra

Linearitu lze docílit vhodnou volbou tvaru komory 2. V až 5 je možno vidět, že pouza tvar pouzdra je totiž určen pro výšku h kapaliny, h je maximální výška kapaliny, max ^Vmax 3^{e Ob}^^{em ka}P^alinY přičemž n je mocnitel Doporučuje se, aby h = 90 Jistý vliv mají také ostatní o vysce h ¹ max mm, V =31- cm¹ a n = 1.74. max činitelé. Kacříklad, umístění a velikost přepážky _8, velikost a tvar vedení _4 a šířka výstupní štěrbiny jako funkce výšky. Není-li použito štěrbiny s rovnoběžnými stranami byl by dosažen odlišný vztah mezi objemem a výškou.

Výstup napájecí buňky indikuje váhu a lineární vztah me* / áma_tjez zi rychlostí průtoku a vátiai&ddpovídá výsledné křivce 30, coz znamená,· žé přístroj k měření mléka je hlavně nezávislý na hustotě mléka. Jak již bylo zmíněno v průběhu převodu mléko pění a hustota mléka obsahujícího vzduch je mnohem menší než mléka bez vzduchu. Podstatné odstranění hustoty jako činitele při měření celkového průtoku hmoty je proto velmi výhodné.

-fiřV*Í*7^i.Úi*.A(^i.ÁX»»';ái_f:»Ii4lW»*Í/»il ia'UWÚ;Zi:;AÚJÝ^ý?.^) ίΐίέΆ/λ/Λ'ΐ;-'.·<>«»>:

- 6 Mléko přivedené od krávy je zavedeno do horní komory 14 vstupním průchodem 15. Mléko potom proteče otvory 12 v rozdělovači desce 1Ό do komory 2 a' teče mezi stěnou vedení £ a přepážkou 8.. Potom protéká štěrbinou T_ a stéká dolů vedením £ do vnějšího pouzdra 20, načež výstupem 21 vytéká z měřícího přístroje. V komoře 2 se vyskytuje v každém daném okamžiku jisté množství mléka. Rychlost průtoku bude neodvratně ovlivňovat kolísání jakosti mléka uvnitř komory 2. Napájecí buňka proto vyšle signál o kolísavé amplitudě. Celkový průtok hmoty je odvozen integrováním tohoto signálu v závislosti na čase a není tedy závislý na konstantní rychlosti průtoku.

Druhý tvar měřiče mléka je znázorněn v Obr. 7 až 9. Použito je komory se dvěma rovnoběžnými stranami, následkem čehož je způsobilá přizpůsobení vnějšímu plášti 120 ve tvaru plochého paketu. Uvnitř vnějšího pláště 120 je zavěšena komora 102 takto tvarovaného měřiče pomocí listových pružin 126. V měřiči uvedeného tvaru je použito odlišného měřiče k dosažení výstupního signálu zejména lineárně proměnného pomocí diferenciálního transformátoru 125.

Mléko se přivádí vstupem 115 a prochází rozdělovacím potrubím 114, kde se příčně rczdálí dc dvou průtočných otvorů 112. Potom mléko teče k opačným stranám komory 102.

V každém z Obr. 7, 8 a 9 je vyznačena šipkami dráha, ktercu mléko sleduje.

Z průtočných otvorů li2 vtéká miěko do dílčích komor

103 komory 102. Těmito dílčími komorami protéká kolem přepážek 108 do další dílčí komory 104, která je ve spojení s obě ma dílčími komorami 103. Potom odtéká mléko z dílčí komory

104 otvorem nebo štěrbinou 107 odkud teče ke dnu vnějšího pláště 120 a opouští výstupem 121 měřící přístroj. Konfigurace štěrbiny 107 je určena stejnými faktory, jak bylo již popsáno podle prvního tvaru měřiče.

Vnější tvar komory 102 společně s dráhou průtoku průtoku 112 a dílčí komory 104 minimalizuje tvorbu pěny v mléku při jeho průchodu měřičem a tím zmenšuje chyby v měřeném vý, výstupu způsobené tímto jevem. Kromě toho pokud se týká prvního tvaru měřiče, druhý tvar měřiče je konstruován tak, aby bylo zajištěno, že váha mléka uvnitř komory 102 v kterémkoliv časovém okamžiku byla přímoúměrná rychlosti průtoku v tomto okamžiku a křivka 30 v diagramu je dostatečně názorným plněním druhého tvaru měřiče mléka.

Vstupní komora 102 je zavěšena uvnitř vnějšího pláště 120 dvěma listovými pružinami 126 vetknutými jedním koncem do montážního členu 127, jenž je druhým koncem upevněn k vnějšímu plášti 120. Spojovací člen 128 spojuje vnější konce pružin 126 a je upevněn k zadní stěně 129 komory 2^. Mléko obsažené v komoře 2 způsobí, že listové pružiny 126 se vychýlí _dolů o vzdálenost úměrnou váze mléka v komoře 2^. Tato výchylka je měřena měničem 125 diferenciálního transformátoru, který obsahuje vzájemně vázaná vinutí 130 obklopující feromagnetické pohyblivé jádro 131. Jádro je volně pohyblivé v podélném směru uvnitř vinutí 130 a mechanicky připojené ramenem 132 ke spojovacímu členu 128. Jakmile se listové pružiny ohnou a komora 102 klesne dolů tak, že jádro 131 provede totéž, zmenší se tím vzájemná indukční reaktance mezi vinutími 130 diferenciálního transformátoru a tím se změní jeho výstupní napětí.

Výstup diferenciálního transformátoru je lineární funkcí přemístění jádra 131 a protože přemístění komory 102 je v podstatě lineární funkcí rychlosti průtoku jí protékající kapaliny, je výstup diferenciálního transformátoru lineární funkcí rychlosti průtoku. Výstupní signál diferenciálního transformátoru lze integrovat, aby se zjistila velikost celkového průtoku hmoty.

V Obr r 10 je blokové scherna pro odvození měřeněho“signálu, zobrazení rychlosti průtoku a měření celkového průtoku hmoty z výstupního signálu měniče. Znázorněný systém zpracování signálu lze použít pro každý ze shora popsaných vstupních stupňů měřiče.

< 'Z. i. v:

- 8 Elektrický signál 201 ze zvoleného prvního měniče je přiveden na vstup analogických obvodů 202 pro úpravu signálu kde je zesílen a filtrem zbaven šumu. Druhé měniče jak.___________ shora zmíněno lze použít k asistenci při tvorbě jasného a přesného signálu, takže analogické obvody 202 mohou být opatřeny více než jedním vstupem. Z výstupu analogických obvodů je signál přiveden do převáděcího obvodu 203 číslicového zobrazení, který vybere vzorky okamžitých signálních hodnot a převede každý vzorek na číslicový vstup 204 pro mikroprocesor 205. Převáděcí obvod 203 je řízen mikroprocesorem 205.

Mikroprocesor realizuje větší počet funkcí určených softwarem mikroprocesoru 205. Týká se to funkce 206 potlačení šumu a funkce 207 výpočtu rychlosti průtoku. Výpočty rychlosti průtoku jsou postupně uloženy do paměti 208 a jsou k disposici na výstupu číslicového zobrazení 209, jež například zobrazuje okamžitou rychlost průtoku v kilogramech za minutu.

Intgrační funkce 210 zpracuje po sobě následující vzorky okamžité rychlosti průtoku z paměti 208, aby se určil celkový průtok hmoty nebo výtěžek změřený v dané periodě. Výsledek integračního zpracování je uložen do určovací paměti^

211 výtěžku s výstupem, pro číslicové zcbreter.í 209, kdykoliv je zapotřebí.

V popsaných dvcu tvarech měřiče je užito dvou měničů a to měniče síly a měniče posuvu. Poučit lze ovšem jiných druhů měničů. Je třeba zdůraznit, že popsané měřiče byly odzkoušeny při turbulentním kolísavém průtoku a kapalině o kolísavé hustotě. V takovémto dynamickém systému vyžaduje elektrický signál vystupující z měničů úpravu, aby byl odstraněn šum a jiné závady. K měření výskytu kapaliny uvnitř komory 102 a jejích různých výšek v komoře byly použita k asistenci čidla upravující signál. Za účelem obstarání dalších dat pro asistenci při rozlišování signálu je možno použít známá čidla, například infračervené detektory nebo detektory vodivosti .

Průmyslová využitelnost

Ačkoliv popsané dva tvary měřiče byly podrobně vysvětleny se zřetelem k měření rychlosti průtoku a celkové hmoty protékajícího mléka,.je nutno_poznamenat, že průtokoměr podle vynálezu je použitelný k měření rychlosti průtoku a celkové protékající hmoty jiných kapalin obzvláště takových, které je obtížné měřit za použití běžné techniky. Ostatní tekutiny obsahující plyny lze měřit jestliže obsahují látky s průtočnými vlastnostmi. Jako příklad podobné látky je částicový materiál jako zrna obilí. Popisování provozní látky například mléka a termín měřič mléka byl použit z důvodu jednoduchosti dvou popsaných provedení za účelem jednoduchého vysvětlování._

Jak patrno poskytuje vynález prostředek k měření rychlosti a/nebo celkové hmoty průtoku, což je výhodné, že měřená rychlost průtoku nebo celkový měřený průtok homogenní látky je v podstatě nezávislý na hustotě protékající látky měřící buňkou. Následkem toho změny hustoty neovlivňují odečítanou hodnotu. Také je zřejmé, že měření váhy nebo hmoty je možno docílit aniž by bylo třeba látku skladovat nebo shromažďovat.

SOÍ - Ýf

Claims (15)

1. Průtokoměr k měření rychlosti průtoku kapaliny, v y !značený tím, že obsahuje komoru, vstupní komoru,, 19 0 9 1“ výstup z komory, prostředek pro určení hmoty kapaliny v k^>moře, jejíž tvar a/nebo nejméně části dráhy průtoku kapali¹·-----—— ny komorou je takový, že rychlost průtoklu zvolené kapaliny komorou je v podstatě přímoúměrná hmotě měřené uvedeným prostředkem.

2. Průtokoměr podle nároku 1, vyznačený tím, ž e prostředek pro určení hmoty je soustava váhy, ve které je zavěšena komora.

,

3. Průtokoměr podle některého z nároků 1 nebo 2, vyznačený t í m, ž e komora a soustava váhy jsou obsaženy uvnitř vnějšího pouzdra, ke kterému je váhová soustava připevněna.

4. Průtokoměr podle kteréhokoli z nároků 1 až 3, vyznačen ý t í m, že komora je v podstatě vejčitého tvaru.

5. Průtokoměr podle kteréhokoliv z nároků 1 až 4, vyznačený t i m, ž e výstup z hlavní komory obsahuje vedění stoupající vzhůru od základny hlavní komory a podélnou štěrbinu ve stěně vedení, kterou může kapalina téci do komory.

6. Průtokoměr podle nároku 5, vyznačený tím, ž e štěrbina je v podstatě c čélníková.

7. Průtokoměr podle některého z nároků 5 nebo 6, v n a č e n ý t í m, ž e v čel' *cmery je umístěna pře: rojící deska o větší velikosti než je štěrbina, ale od které v odstupu vzdálena, aby v důsledku toho kapalina byla přinucena téci kolem hran této přepážky před tím než proteče štěrbinou.

8. Průtokoměr podle nároku 7, vyznačený tím, že vstupní komora je opatřena vstupem pro kapalinu vytvořeným v pouzdře nad komorou a přizpůsobeným pro vtékání do komory.

(ί»

- 11

9. Průtokoměr podle nároku 8, vyznačený tím, ž e vstupní komora je kruhového horizontálního průřezu a kapalinový vstup je umístěn tak, že způsobuje rotační nebo cyklonální pohyb kapaliny uvnitř vstupní klomory.

10. Průtokoměr podle některého z nároků.8 nebo 9,. v y z - načený tím, že mezi komoru a vstupní komoru je vložena rozdělovači deska v horizontální poloze, která je opatřena větším počtem otvorů nebo štěrbin, jimiž uvedená kapalina protéká do hlavní komory.

11. Průtokoměr podle nároku 10, vyznačený tím, ž e rozdělovači deska je opatřena jediným otvorem, kterým protéká kapalina do hlavní komory.

12. Průtokoměr podle některého z nároků 10 nebo 11, v y z načený tím,_ž_e__rozdělO-vaeí_deska_j-e_opatřena_v_podstatě prstencovou drážkou, v jejíž základně jsou uspořádány otvory.

13. Průtokoměr podle kteréhokoliv z nároků 1 až 3, v y z n ačený tím, že komora je obdélníkového příčného průřezu se zářezem v jedné podélné straně, přičemž zářez tvoří drážku se dvěma rovnoběžnými stranami, zatímco zbývající dvě strany se sbíhají kuželovité dovnitř směrem ke dnu komory.

14. Průtokoměr podle nároku 13, vyznačený tím, ž e komora je opatřena dvěma horními otevřenými vstupy, z nichž každý se nalézá v blízkosti zkosené strany.

15. Průtokoměr podle nároku 14,vyznačený tím, ž e uvnitř komory jsou umístěny dvě přepážky rovnoběžné se štěrbinou, přičemž každá z nich je umístěna do cesty kapalinového toku z příslušného vstupu do výstupní štěrbiny.

soč- <s