HU188358B - Flow-meter - Google Patents

Description

A találmány tárgya áramlásmérő csővezetékben áramló közeg útjába az áramlás irányába merőlegesen elhelyezett mérőperemmel.

Ismeretes, hogy a különböző közegek áramlásának mérésére a mérési elvek és berendezések igen gazdag választéka áll rendelkezésre. Az utóbbi időben a mérési lehetőségek kibővültek a különböző optikai, akusztikus, ultrahangos, lézeres stb. mérési eljárásokkal, illetve mérőberendezésekkel. Ezek a berendezések általában a közegáram útjába helyezett test által okozott megváltozott áramlási viszonyokat mérik (1. az 1 384 105 sz. angol szabadalmat) vagy magán az áramlás útjába helyezett testen fellépő rezgéseket (ilyen mérőberendezéseket ismertet pl. az 1 482 699, vagy az 1 533 717 sz. angol szabadalom).

A legrégebben ismert mérési elvek egyikét valósítják meg az ún. méröperemek vagy mérőszájak, amelyek a csővezetékben áramló közeg útjában kialakított szűkületek, amelyek előtt és mögött nyomáskülönbség alakul ki. Ennek a nyomáskülönbségnek a mérésével határozzák meg az áramló közeg sebességét, illetve mennyiségét. Az ilyen mérőberendezések alapvető hátránya az, hogy a nyomáskülönbség és a térfogatáram közötti összefüggés nem lineáris, így mérés kiértékelésre előnytelen. A mérőeszközök egy másik régóta ismert fajtája az ún. rotaméter, amelynek lényege az, hogy az áramló közeg útjában egy ún. lebegő test helyezkedik el, amelynek elmozdulása arányos a mérendő sebességgel. A nyomásesés forrása a lebegő test közegellenállása és ennél a megoldásnál a lebegő test elmozdulása egyenesen arányos lehet a folyadék áramlás térfogatáramával, ha a csővezeték a lebegő test elmozdulásának irányában bővülő keresztmetszetű. Hátránya azonban, hogy a lebegő test viszonylag kis erők által meghatározott egyensúlyi helyzetbe áll be, nagy erők létrehozása pedig igen nehézkes. Ennek oka egyrészt az, hogy a lebegő test méretének növelése a berendezés méreteit arányta_t lanul növelné, másfelől pedig a lebegő test átmérőjének növelésével a kerület menti, adott méretű szabad áramlási keresztmetszethez nagyon szűk rés adódna ki, amely a megszoruiás veszélyével jár.

Ismert olyan megoldás is, ahol a lebegő test elmozdulásét rugó korlátozza, a folyadékáramra jellemző mennyiség pedig a rugóerő változása vagy a lebegő test elmozdulása. Ilyen jellegű megoldást találhatunk pl. az 1 434 165 sz. angol szabadalom- , bán.

,* Ismertek olyan megoldások is ahol a térfogatáramot az áramlás útjába helyezett zárólap vagy szelep rugóerő ellenében történő elmozdulásának mértékével Határozzák meg. Ilyen megoldás található pl. az 1 462 878, vagy az 1 476 574 sz. angol szabadalmakban. A megoldások hátránya hasonló az előzőekben elmondottakhoz.

Egy másik ismert megoldási változat szerint a folyadékáramlás hatására elmozduló elemet egy mérőperem nyílásába helyezik. Ekkor a záró- vagy szűkítőelemnek rugóerő ellenében mért elmozdulását, vagy a szűkületen fellépő nyomásesést mérik, mint a térfogatárammal arányos mennyiséget. Ennél a megoldásnál a rugóerő ellenében elmozduló szűkítőelem megvezetése súrlódással jár, ami a mérés eredményét kedvezőtlenül befolyásolja.

További hátránya, hogy csak viszonylag nagy (körülbelül 10 cm nagyságrendű) átmérőjű csövekben-biztosit pontos mérést, kis átmérőben történő mérésre nem alkalmas, mert túlságosan kis erők hatására létrejövő elmozdulást, illetve nyomásesést kellene mérni.

A jelen találmánnyal az ismertetett hátrányok, elsősorban a kis mennyiségek mérésére jellemző kényes erőegyensúly kiküszöbölése a célunk és olyan áramlásmérők kialakítása, amelynek belső áramlási képe ugyan hasonló a méröperemekben tapasztalt áramlási képhez, emellett azonban olyan változó átömlési keresztmetszet jellemzi, amely biztosítja, hogy a mértjei és a folyadékáram között a spontán kialakuló négyzetes karakterisztika helyett tetszőlegesen megválasztható célszerűen lineáris függvénykapcsolat legyen, kis átmérőjű csővezetékekben történő mérés esetén is.

A kitűzött feladatot úgy oldottuk meg, hogy a csővezetékben kialakított mérőperemet és a mérőperem nyílásában elhelyezett szűkítőelemet tartalmazó áramlásmérőben a találmány szerint a mérőperem elmozdítható nyílású rugalmas membránként van kialakítva és a membrán elmozdulását detektáló érzékelővel, illetve érzékelőkkel van ellátva. Az érzékelők célszerűen mérőelektronikávai és méréskiértékelővel vannak összekapcsolva.

A berendezés egy célszerű kiviteli alakjánál a mérőperem rögzített helyzetű szűkítőelemmel van ellátva, amely célszerűen a mérőperem nyílásában van elhelyezve.

A szűkítőelem lehet az áramlás irányában csökkenő keresztmetszetű elem vagy az áramlás irányára merőleges lapka. Utóbbi esetben a mérőperem nyílása előnyösen az áramlás irányában csökkenő keresztmetszetű csőszakaszként van kialakítva.

A találmány szerinti kialakítással biztosítható, hogy a membrán nyílásának elmozdulása és a közegáram közötti föggvénykapcsolat lineáris, azaz

X = C · Φ_ν, ahol

C - a membrán rugalmas elmozdulásának karakterisztikájától és a szűkítőelem alakjától függő állandó.

Az áramlásmérő membránja célszerűen rugóval, előnyösen lineáris karakterisztikájú rugóval van megtámasztva, amikoris a C konstans a membrán és a rugó együttes karakterisztikájától függ.

A szűkítőelem és az áramlás irányában történő beállítást biztosító hangoló elemmel lehet ellátva.

A találmány egy célszerű kiviteli alakjánál a membrán nyílása köralakú és a szűkítőelem palástja homorú tórusfelület.

A fentiek szerint kialakított áramlásmérő kiküszöböli a korábbi ismert megoldások hátrányait, mivel az előállított nyomáskülönbség nagy felületre hat és az erőegyensúly kedvező, alkalmas igen kis folyadékáram mérésére is és segítségével a közegáram és a nyomáskülönbség között úgyszólván tetszőleges függvénykapcsolat valósítható meg. Az áramlásmérő pulzáló áramlási viszonyok között a változást jól követi, mivel a tömegerőkhöz képest az érzékelt elmozdulást nagy erők vezérlik, s így kiválóan megfelel szakaszos gázbuborékos áramlás

188 358 tömegmérésére, még 100%-nál nagyobb térfogatarányú buborékdugók esetén is. Ezek a tulajdonságok ideálissá teszik többek között gépjárművek pillanatnyi üzemanyagfogyasztás-mérőjeként való alkalmazásra.

A találmány további részleteit kiviteli példán, rajz segítségével ismertetjük. A rajzon az

1. ábra a találmány szerinti áramlásmérő elvi elrendezése, a

2. ábra az áramlásmérő másik kiviteli alakjának elvi elrendezése, a

3. ábra egy további változat elvi elrendezése, a

4. ábra az áramlásmérő üzemanyag fogyasztásmérőként kialakított kiviteli alakjának metszete, és az

5. ábra a 4. ábrán bemutatott kiviteli alakhoz tartozó mérőérzékelő elektronika kapcsolási vázlata.

Az 1. ábrán bemutatott vázlatból látható, hogy a találmány szerinti áramlásmérő 1 csővezetékbe 2 karimák közé befogott 3 rugalmas membránt tartalmaz, amelynek 4 nyílásába 5 szükítőelem illeszkedik. Az 5 szűkítőelem 6 tartón van rögzítve, a 3 rugalmas membrán pedig 7 rugóval van megtámasztva, elmozdulását pedig egyik, vagy mindkét oldalán elhelyezett 8 érzékelők jelzik.

A rajzon a Φ_ν térfogatáram irányát nyíllal jelöltük. Az áramló közeg a 3 rugalmas membránt elérve ugyanúgy viselkedik, mint a hagyományos mérőperemeknél. Az áramvonalak a 3 rugalmas membrán 4 nyílásánál összesűrüsödnek és a nyílás után örvénylés lép fel. Ennek megfelelően kialakul a 3 rugalmas membrán előtt a nagyobb pj nyomás és mögötte a kisebb p₂ nyomás. A Pi~p₂ = Δρ nyomáskülönbség hatására a 3 rugalmas membrán, és ennek megfelelően a 4 nyílás is elmozdul az áramlás irányába. Minthogy azonban az 5 szűkítőelem az áramlás irányában csökkenő keresztmetszetű, a 4 nyílásnak az áramlás irányába történő X mértékű elmozdulása esetén a 4 nyílás A szabad keresztmetszete növekedni fog. Ez természetesen magára a nyomáskülönbségre is visszahat.

Az A szabad keresztmetszetnek az X elmozdulás szerinti lineáris működést biztosító függvénykapcsolata a mérőperem analízisével egyszerűen kiszámítható. Ismeretes, hogy a mérőperemekre vonatkozó alapösszefüggés szerint

ahol: ε - egy korrekciós tényező, ρ - a folyadék sűrűsége,

A - a nyílás szabad keresztmetszete.

Ebből látható, hogy a nyomáskülönbség és a térfogatáram közötti kapcsolat négyzetes, tehát kiértékeléshez kedvezőtlen. A szabad keresztmetszetet célszerű úgy változtatni, hogy a Δρ nyomáskülönbség és a Φ_ν térfogatáram kapcsolat között lineáris kapcsolatot nyerjünk. Ez esetben

A = C,(/Ö)_v kell legyen. Ha ugyanis A ilyen értékét behelyettesítjük az előző egyenletbe, a nyomáskülönbség és a térfogatáram között lineáris összefüggést kapunk. Ez az

A = η(Δρ) és az x = f₂(Ap) ! összefüggések felhasználásával végezhető. A jelen esetben köralakú 4 nyílás és kúpos jellegű 5 szükítőelem mellett

A = C₂^X értékre adódik.

Ez azt jelenti, hogy az 5 szűkítőelem palástja az ! 1. ábrán bemutatott esetben az egyenes körkúphoz képest kissé homorú felülettel valósítható meg. Ez a gyakorlatban homorú tórusfelületet jelent.

Ily módon a 4 nyílás X elmozdulása és a közegáram Φ_ν között lineáris összefüggést kapunk, azaz X = ύ₃Φ_ν ahol a C₃ olyan konstans, amely magában foglalja a 3 rugalmas membrán és a 7 rugó karakterisztikáját.

A 2. ábrán olyan megoldás látható, ahol az 5 szűkítőelem az áramlás irányára merőleges lapka (tárcsa). Itt a 3 rugalmas membrán 4 nyílása van az áramlás irányában csökkenő keresztmetszetű csőszakaszként kialakítva. A szerkezet működése lényegében megegyezik az 1. ábrán bemutatottéval.

A 3. ábrán látható szerkezet 5 szükítőeleme nem a 3 rugalmas membrán 4 nyílásban, hanem annak közelében, az 1 csővezeték zárólapjaként van kialak'tva.

Az áramló folyadék az áramlásmérő 9 házába sugárirányú 10 furatokon átjut be és az 5 szűkítőelem, valamint a 3 rugalmas membrán közötti keskeny gyűrűalakú résen folyik át. Ezen rés nagysága változik az áramlás függvényében, a 3 rugalmas membrán elmozdulása következtében.

A 3 rugalmas membrán elmozdulása ennél a változatnál nem teljesen lineáris, de azt jól megközelíti.

A 4. ábra a találmány szerinti áramlásmérő egy gyakorlati kiviteli alakjának metszete. Ez a kiviteli alak egy gépjármű üzemanyag fogyasztásmérő. A fogyasztásmérő az í csővezetékhez kapcsolódik 11 bevezetőcsonkon keresztül. A 3 rugalmas membrán és az 5 szűkítőelem a 9a és 9b felekből álló 9 házban van elhelyezve.

Az 5 szűkítőelem a 9b félbe erősített 12 kivezetőcsonkban, a 6 tartóval van rögzítve. A 6 tartóba 13 hangolócsavar van becsavarva és ehhez 14 tengelyen át kapcsolódik az 5 szűkítőelem. Az áramlásmérő beállítását, hangolását a 13 hangolócsavar segítségével lehet elvégezni.

Az egész berendezés 15 burkolatban van elhelyezve és a 15 burkolaton belül helyezkedik el a 16 mérőelektronika is. A mérési jelet a 16 mérőelektronikától 17 kábel vezeti ki.

A 3 membrán elektronikus helyzetérzékelését induktív módon oldottuk meg oly módon, hogy egy induktivitás körüli váltakozó mágneses térre az érzékelendő objektum az elhelyezkedésétől függő, változó hatást gyakorol, s ez visszahat az induktivitásban folyó áramra, vagy a feszültségesésre. 8 érzékelőként két szembekapcsolt tekercset alkalmaztunk a jó linearitás érdekében. A 8 érzékelők között érzékelendő objektumnak; a 3 membránnak a fentiek értelmében mágneses tulajdonsággal kell rendelkeznie. Nagyfrekvenciás mágneses tér esetén elegendő, ha az érzékelendő objektum elektromos vezető, a benne indukáló örvényáramok mintegy pó-31 tolják a nagy mágneses permeabilitás esetleges hiányát.

A 4. ábrán bemutatott kiviteli alaknál 16 lapos, nyomtatott tekercseket alkalmaztunk, amelyek közrefogják a 3 membránt. Fém-membrán esetén további alkatrész nem szükséges, gumimembránhoz azonban fém (pl. alumínium) érzékelő tárcsát kell alkalmazni.

Az érzékelő elektronika egy lehetéges változatának tömbvázlatát az 5. ábra mutatja be. A 8 érzékelőket alkotó stabilizált amplitúdójú szinuszos feszültségmeghajtásra szolgál a 18 feszültséggenerátor. A 8 érzékelők 19 osztópontjának a 3 membrán elmozdulásával arányosan változó feszültségét 20 egyenirányító U_ti egyenfeszültséggé alakítja, amely már kimenőjelnek tekinthető. Az áramlásmérőhöz további jelátalakítás: erősítés, szűrés, nullázó feszültség kivonás stb. szükséges.

Az áramlásmérőhöz adott esetben méréskiértékelő elektronika csatlakozhat, amelynek segítségével kalibrált skálán közvetlenül a fogyasztás i/óra vagy 1/100 km mértékegységben olvasható le.

A találmány szerinti elven működő áramlásmérő a gáz- vagy gőzbuborékok térfogatáramúnak zavaró hatását kiküszöböli, 20-30%-os gáztérfogat esetén a mérés még ideálisnak tekinthető, azaz a kimenet átlagértéke lényegében a folyadék térfogatával arányos. Az áramlásmérő pulzáló áramlási viszonyok között is jól követi a változást és kis közegáram mérésére is alkalmas, minthogy a rugalmas membrán egyensúlyi helyzetét viszonylag nagy erők egyensúlya biztosítja. Ennek következtében a hiszterézis elhanyagolható és a beállás stabil.

Jóllehet a bemutatott példában csupán egyetlen üzemanyagfogyasztásmérő működését mutattuk be, a szakember számára nyilvánvaló, hogy a találmány szerinti megoldás alapelve lehetővé teszi bármilyen más áramlásmérő kialakítását is. Ezek az áramlásmérők rendelkeznek a korábbiakban felsorolt előnyös tulajdonságokkal: megbízhatóan működnek, kicsiny és gyors változásokat is követnek, tehát pulzáló áramlás mérésére is alkalmasak.

Claims (9)

1. Szabadalmi igénypontok

   1. Áramlásmérő, csővezetékben áramló közeg útjába az áramlás irányában merőlegesen elhelyezett mérőperemmel, azzal jellemezve, hogy a mérő!8 358;

   v , perem elmozdítható nyílású (4) rugalmas membránként (3) van kialakítva és a rugalmas membrán (3) elmozdulását detektáló érzékelővel (8) van ellát5 ^va' °
2. 2. Az 1. igénypont szerinti áramlásmérő kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy az érzékelő (8) mérőelektronikával (16) van összekapcsolva.
3. 3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti áramlásmérő kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a mérőperem ¹⁰ szűkítőelemmel (5) van ellátva.
4. 4. A 3. igénypont szerinti áramlásmérő kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a szűkítőelem (
5. 5) rögzített és a rugalmas membrán (3) nyílásában (4) van elhelyezve.

   ¹⁵ 5. A 4. igénypont szerinti áramlásmérő kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a szükítőelem (5) az áramlás irányában csökkenő keresztmetszetű elemként van kialakítva oly módon, hogy a rugalmas membrán (3) nyílásának (4) elmozdulása (X) és a ²⁰ közegáram (Φ_ν) közötti függvénykapcsolat lineáris, azaz

   X = C4>_v, ahol C - a rugalmas membrán elmozdulásának karakterisztikájától és a szűkítőelem alakjától füg²⁵ gő állandó.
6. 6. A 4. igénypont szerinti áramlásmérő kiviteli alkja, azzal jellemezve, hogy a szűkítőelem (5) az áramlás irányára merőleges lapka.
7. 7. A 6. igénypont szerinti áramlásmérő kiviteli alkja, azzal jellemezve, hogy a rugalmas membrán (3) nyílása (4) az áramlás irányában csökkenő keresztmetszetű csőszakaszként van kialakítva oly módon, hogy a rugalmas membrán (3) nyílásának (4) elmozdulása (X) és a közegáram (Φ_ν) közötti függvénykapcsolat lineáris, azaz

   X = Cd\, ahol C - a rugalmas membrán elmozdulásának karakterisztikájától és a szükítőelem alakjától függő állandó.

   7. Az 1. igénypont szerinti áramlásmérő kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a rugalmas membrán (3) rugóval (7) van megtámasztva.
8. 8. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti áramlásmérő kiviteli alkja, azzal jellemezve, hogy a szükítőelem (5) az áramlás irányába történő beállítást biztosító hangolóelemmel (11) van ellátva.
9. 9. Az 5. igénypont szerinti áramlásmérő kiviteli alkja, azzal jellemezve, hogy méréskiértékelővel van ellátva.