PL165205B1 - Miernik przepływu cieczy - Google Patents

Abstract

Miernik przepływu cieczy, zwłaszcza do pracy jako domowy wodomierz, zawierający oscylator strumieniowy o sprzężeniu zwrotnym, posiadający kanał wlotowy strumienia cieczy, rozdzielacz przedzielający przepływ z kanału wlotowego do pierwszego i drugiego kanału głównego oraz kanał sprzężenia zwrotnego prowadzący z każdego kanału głównego do odpowiednich przeciwległych boków kanału wlotowego, znamienny tym, że posiada elementy stanowiące przynajmniej jeden trwały magnes (8,9; 12,13; 17,18) do wytwarzania pola magnetycznego w poprzek kanału (3,4, 6, 7), w którym przepływ cieczy ulega zmianie z częstotliwością uzależnioną od natężenia przepływu, pierwszą parę elektrod (10, 14) do wykrywania wytwarzanej różnicy potencjałów w cieczy w kierunku poprzecznym do przepływu i do pola magnetycznego, oraz element do pomiaru częstotliwości tej różnicy potencjałów i/lub do zliczania cykli oscylacji przepływu.

Description

Przedmiotem wynalazku jest miernik przepływu cieczy, działający na zasadzie oscylatora strumieniowego.

Znany jest miernik przepływu cieczy przewodzących elektrycznie, przystosowany do pracy jako domowy licznik wodny, zawierający oscylator strumieniowy o sprzężeniu zwrotnym, posiadający kanał wlotowy strumienia cieczy, rozdzielacz przedzielający przepływ z kanału wlotowego do pierwszego i drugiego kanału głównego oraz kanał sprzężenia zwrotnego prowadzący z każdego kanału głównego do odpowiednich przeciwległych boków kanału wlotowego.

Wiadomo, że częstotliwość drgań ascylatora strumieniowego zależy (chociaż niekoniecznie liniowo) od ilości przepływającej przez niego cieczy. Stanowiło to podstawę pomiarów przepływów zarówno cieczy jak i gazów. Jednakże w przypadkach pomiarów dokładnych, zwłaszcza z dokładnością do jednego lub dwóch procent w stosunku do szerokiego zakresu pomiarowego i przypadku znacznych zmian ciśnienia cieczy, pomiar taki był utrudniony.

W znanych miernikach pracujących na zasadzie oscylatora strumieniowego do wykrywania oscylacji stosowano czujniki ciśnienia i czujniki termiczne. Czujniki ciśnienia mogą działać na przykład na zasadzie elektromagnetycznej, dla wykrywania ruchu drgającej kulki uwięzionej w kanale lub szczelinie między dwoma kanałami płynu.

165 205

Szczególny problem powstaje w przypadkach pomiarów zużycia wody, w których wymagane jest utrzymanie dokładności pomiarów przy dużych zmianach zużycia rzędu 200-krotnie w stosunku do wartości minimalnej. Prędkość przepływu będzie wtedy zmieniać się również 200-krotnie w stosunku do prędkości minimalnej, a odpowiednie zmiany ciśnienia w stosunku 40000 : 1. Utrzymanie jakiegokolwiek stopnia dokładności w takim szerokim zakresie zmian ciśnienia jest prawie niemożliwe w przypadku zastosowania jednego czujnika ciśnienia.

Z tego względu wskazane jest wykrywanie oscylacji nie przez pomiar zmian ciśnienia, ale w taki sposób, aby amplituda sygnału zależała od prędkości przepływu, a nie od ciśnienia, przez co dynamiczny zakres czułości sygnału jest tego samego rzędu co przepływ płynu.

Inną wadą znanych rozwiązań jest konieczność zastosowania zewnętrznego źródła zasilania układu czujnikowego, zwłaszcza, gdy układy te stanowią układy elektryczne.

Ponadto znane wodomierze mechaniczne zawierają części podatne zarówno na korozję jak i na zużycie i nie dają możliwości dokonywania zdalnych odczytów wymagających instalowania oddzielnego układu elektrycznej detekcji, zawierającego nadawcze łączniki sprężynkowe dla wyprowadzenia sygnału elektrycznego, który można dalej przetwarzać. Łączniki te wymagają zewnętrznego źródła zasilania i oddzielnego wyposażenia elektrycznego zainstalowanego osobno obok wodomierza.

Inną wadą znanych wodomierzy mechanicznych jest występowanie nieliniowości charakterystyki przy małych prędkościach przepływu, takich jakie występują w zastosowaniach domowych, co jest efektem „tarcia spoczynkowego części ruchomych.

Celem wynalazku jest opracowanie konstrukcji oscylacyjnego miernika przepływu cieczy, pozbawionego wad występujących w przypadku znanych rozwiązań mierników.

Miernik przepływu cieczy przewodzących elektrycznie, zwłaszcza do pracy jako wodomierz domowy, zawierający oscylator strumieniowy o sprzężeniu zwrotnym, posiadający kanał wlotowy strumienia cieczy, rozdzielacz przedzielający przepływ z kanału wlotowego do pierwszego i drugiego kanału głównego oraz kanał sprzężenia zwrotnego prowadzący z każdego kanału głównego do odpowiednich przeciwległych boków kanału wlotowego, według wynalazku charakteryzuje się tym, że posiada elementy stanowiące przynajmniej jeden magnes trwały do wytwarzania pola magnetycznego w poprzez kanału, w którym przepływ cieczy ulega zmianie z częstotliwością uzależnioną od natężenia przepływu, pierwszą parę elektrod do wykrywania wytwarzanej różnicy potencjałów 'w cieczy w kierunku poprzecznym do przepływu i do pola magnetycznego, oraz element do pomiaru częstotliwości tej różnicy potencjałów i do zliczania cykli oscylacji przepływu.

Elektrody są umieszczone w jednym z głównych kanałów.

Korzystnie elektrody są umieszczone także w przynajmniej jednym z kanałów sprzężenia zwrotnego.

Miernik korzystnie jest również wyposażony w drugą parę elektrod, umieszczoną w drugim z kanałów, przez który również przechodzi w poprzek pole magnetyczne.

Pierwsza i druga para elektrod jest połączona razem w układzie przeciwsobnym i odbiera różnicę potencjałów w kanałach, w których przepływ zmienia się w przeciwnych kierunkach.

Magnes jest osadzony w ścianie obudowy miernika i jest izolowany elektrycznie od cieczy przepływającej w dowolnym z kanałów.

Magnes może być wykonany z materiału nie przewodzącego elektrycznie i wówczas tworzy część ściany jednego z kanałów.

Przekrój kanału wlotowego jest zasadniczo prostokątny i jest poszerzony na boki co najmniej przy jednym końcu, tworząc przekrój o kształcie T lub I.

Oscylacyjny miernik przepływu cieczy według wynalazku pracuje w bardzo szerokim zakresie i wymaga bardzo małej mocy. Pozwala na osiągnięcie wymaganej liniowości sygnału w pełnym zakresie bez potrzeby stosowania złożonych układów korekcyjnych lub tablic funkcyjnych.

W rozwiązaniu miernika według wynalazku zaproponowano, aby oscylacje w oscylatorze strumieniowym miernika rozpoznawać elektromagnetycznie, przykładając pole magnetyczne w poprzek przepływu i mierząc wypadkową siłę elektromagnetyczną powstałą w samej cieczy za pomocą pary właściwie umieszczonych elektrod. Ciecz musi oczywiście mieć dostateczną prze4

165 205 wodność elektryczną, ale może być ona bardzo mała, ponieważ odbierana jest tylko różnica potencjałów i nie jest wymagany znaczny przepływ prądu elektrycznego.

Zwykła woda jest tego rodzaju cieczą, zaś wynalazek jest szczególnie przydatny do pomiarów zużycia wody w gospodarstwach domowych, ponieważ mają one duży współczynnik zmniejszenia, a dokładność pomiarów musi spełniać określone wymagania ustawowe. Innymi korzyściami wynikającymi z wynalazku jest niski koszt urządzenia, brak wymagań odnośnie obsługi (ponieważ nie ma żadnej ruchomej części w strumieniu cieczy) i minimalne zapotrzebowanie na energię. W istocie nie jest potrzebne żadne zasilanie, ponieważ siła elektromotoryczna powstaje w wyniku indukcji elektromagnetycznej, tak że zasilanie jest wymagane jedynie ze względu na potrzebę ewentualnego wzmocnienia i przetworzenia powstałego sygnału.

Zastosowane w wynalazku co najmniej dwie pary elektrod można połączyć w układzie przeciwsobnym, faktycznie podwajającym sygnał, a łącząc je różnicowo można wyellminować błędy, na przykład spowodowane zmianami potencjału elektrochemicznego na elektrodach wskutek fluktuacji ciśnienia statycznego. Mogą być one umieszczone na głównym torze przepływu, na torze sprzężenia zwrotnego, albo na obu torach.

Jako oscylator strumieniowy można zastosować ogólnie znany oscylator, chociaż wskazane jest zastosowanie rozdzielacza z poprzeczną ścianą zamiast ostrza nożowego, ponieważ stwierdzono, że daje on pewniejsze oscylacje w szerokim zakresie stosowanych przepływów.

Wytworzenie pola lub pól magnetycznych jest realizowane za pomocą magnesu trwałego (a więc nie wymagającego źródła zasilania), który może być wtopiony w obudowę oscylatora w trakcie wytwarzania. Jeśli magnesy wykonane są z materiału nie przewodzącego elektrycznie, takiego jak ferryt sklejony tworzywem sztucznym, to jego powierzchnie mogą stanowić ściany kanałów, przez co uzyskuje się możliwie najmniejszą szczelinę magnetyczną.

W mierniku według wynalazku, który można również zastosować jako miernik przepływu cieczy, stosując inne układy czujników niż opisany wyżej czujnik elektromagnetyczny, liniowość sygnału szczególnie przy bardzo małym przepływie cieczy polepsza się dzięki modyfikacji kanału wlotowego strumienia przepływu w ten sposób, że zwykły prostokątny przekrój poprzeczny jest poszerzony na górze i na dole (względem pionowej osi symetrii oscylatora). Poszerzenie to może być stopniowane i może dawać całkowity przekrój poprzeczny o profilu T lub I jak będzie wyjaśnione poniżej.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia miernik według wynalazku w przekroju wzdłuż osi głównej, fig. 2 - przekrój poprzeczny wzdłuż linii A-A z fig. 1, fig. 3 - przekrój poprzeczny wzdłuż linii B-B z fig. 1, fig. 4 przekrój poprzeczny wzdłuż linii C-C z fig. 1, fig. 5 - przekrój poprzeczny wzdłuż linii D-D z fig. 1, pokazujący modyfikację kształtu przekroju korpusu, zaś fig. 6 przedstawia wykres częstotliwości oscylatora w zależności od przepływu, pokazujący wyniki prób kalibracji i ilustrujący korzyści modyfikacji z fig. 5.

Oscylator strumieniowy zilustrowany na fig. 1 jest znany co do zasady. Korpus 1 zawiera kanał wylotowy 2 strumienia przepływu o przekroju prostokątnym, który prowadzi do dwóch kanałów głównych 3 i 4 oddzielonych rozdzielaczem 5, którym w tym przypadku jest płaska ściana poprzeczna do przepływu. Kanały sprzężenia zwrotnego 6 i 7 prowadzą z kanałów głównych 3, 4 z powrotem do toru przepływu w sąsiedztwie wlotu strumienia po przeciwnych stronach. Jak wiadomo, przepływ cieczy przylega do ściany jednego z kanałów dzięki efektowi Coanda, ale w wyniku działania cieczy z kanału sprzężenia zwrotnego przepływ będzie przeskakiwał w stronę drugiej ściany, powtarzając ten przeskok z jednej strony na drugą z częstotliwością zależną od prędkości przepływu. Jest to tak zwany osylator z pętlą sprzężenia zwrotnego. Innym znanym rodzajem jest oscylator relaksacyjny, którego działanie jest analogiczne do elektronicznego przerzutnika swobodnego przebiegu lub generatora drgań relaksacyjnych, ale wynalazek jest przydatny przede wszystkim do oscylatora z pętlą sprzężenia zwrotnego, gdyż oscylator relaksacyjny jest mniej stabilny.

W typowym przypadku częstotliwość może się zmieniać w zakresie od 0,15 do 30 Hz dla przepływu w zakresie od 0,15 litra na minutę do 30 litrów na minutę, przyjmując taki dobór wymiarów i charakterystyki, aby powstało 60 cykli na każdy litr przepływającej wody.

165 205

Dla realizacji pomiaru, według wynalazku w ścianach kanałów oscylatora zamontowano magnesy trwałe wytwarzające pole magnetyczne przechodzące przez strugę przepływającej wody. W najprostszym wykonaniu wystarczy pojedyncze pole magnetyczne w jednym kanale, ale w praktyce ze względów podanych niżej zastosowano więcej niż jedno pole magnetyczne.

Magnesy 8 i 9 tworzą część ścian odpowiednich kanałów głównych 2 i 3. Wytwarzają one między sobą pole w obu tych kanałach i gdy przepływ wody przeskakuje z jednego kanału do drugiego, wówczas zmiana prędkości wody w każdym kanale kolejno wytwarza siłę elektromotoryczną prostopadłą do przepływu i do pola, zaś ta siła elektromotoryczna jest odbierana w kanale 2 przez parę elektrod 10 i w kanale 3 przez parę elektrod 11, których rozmieszczenie pokazano na fig. 3.

Należy uwzględnić, że napięcie powstałe na dwóch parach elektrod zmienia się tak, że jeśli je połączymy w układzie przeciwsobnym to otrzymamy sygnał o podwójnej amplitudzie.

W zilustrowanym przykładzie są zastosowane również inne pary magnesów 12 i 13 wytwarzające pole magnetyczne poprzez kanały sprzężenia zwrotnego 6 i 7, a powstające siły elektromotoryczne odbierający pary elektrod 14 i 15. Magnesy te mogą być wykorzystane zamiast magnesów w kanale głównym, to znaczy nie są konieczne oba komplety magnesów, jednakże zastosowanie obydwu kompletów magnesów i pomiar stosunku wielkości tych dwóch sygnałów umożliwia kompensację, co najmniej pierwszego rzędu, nieliniowości współczynnika miernika jako funkcji prędkości przepływu.

Zastosowane magnesy mogą być znanych rodzajów, dostępnych w handlu, na przykład samar-kobalt, ale ponieważ magnesy spiekane są elektrycznie przewodzące, zatem jest konieczna ich izolacja od bieżącej wody w kanałach oscylatora, aby uniknąć ich zwarcia z powstałą si^ą elektromotoryczną. Nie jest to trudne w przypadku wykonania korpusu 1 miernika z tworzywa sztucznego, ponieważ tworzywo sztuczne może oblewać magnes dookoła, ale oznacza to, że szczeliny magnetyczne są z konieczności szersze, co daje dużo słabsze pole. Dlatego też korzystne jest stosowanie magnesów z materiałów nie przewodzących elektrycznie, takich jak ferryt spojony tworzywem sztucznym, i kontaktującym się z przepływającą cieczą, uzyskując szczelinę magnetyczną równą szerokości kanałów przepływu przez oscylator.

Jeśli wymagane jest silniejsze pole niż pole wytworzone przez pojedyncze, oddalone magnesy, to można wykorzystać układy magnetyczne częściowo zamknięte, to znaczy magnetyczne podkowy lub magnesy położone na zewnątrz, z biegunami umieszczonymi w pozycji magnesów pokazanych na rysunku. Cały obszar między kanałem głównym i sąsiadującym kanałem sprzężenia zwrotnego może być ukształtowany z magnesu.

Linia łącząca elektrody w kanałach sprzężenia zwrotnego 6, 7 leży w środku przekroju przepływu, zaś w kanałach głównych 2, 3 jest tak blisko ściany jak to jest tylko możliwe, jak pokazano na fig. 3. Napięcie wytwarzane w kanale sprzężenia zwrotnego jest mniejsze w stosunku do napięcia wytwarzanego w kanale głównym, ponieważ, mimo że jest tam silniejsze pole niż w strumieniu głównym, wynikające z krótszego toru strumienia, to jednak prędkość strumienia głównego cieczy jest znacznie większa od prędkości cieczy w kanale sprzężenia zwrotnego. Zwieranie indukowanego sygnału w strumieniu głównym powoduje, że siła elektromotoryczna powstała w strumieniu głównym jest zwykle większa od siły elektromotorycznej indukowanej w pętli sprzężenia zwrotnego tylko dwukrotnie.

W pokazanym przykładzie występują również elektrody 16 i pole magnetyczne wytworzone przez magnesy 17 i 18 na wyjściowym torze płynu. Środkowy magnes 18 tworzy dzielnik utrzymujący ciągle rozdzielność dwóch torów w tym punkcie. Jednakże jest to tylko możliwa alternatywa w stosunku do czujników w kanałach głównych i/lub kanałach sprzężenia zwrotnego i w zasadzie nie jest konieczne instalowanie wszystkich trzech kompletów elektrod równocześnie. W istocie, jak zaznaczono powyżej, wystarczy pojedyncze pole magnetyczne i jedna para elektrod, aby zrealizować wynalazek w praktyce.

Jak pokazano na fig. 2 i 3, sygnały z dwóch kanałów sprzężenia zwrotnego doprowadzono do zanegowanego i niezanegowanego wejścia wzmacniacza różnicowego, łącząc je korzystnie w układzie przeciwsobnym, a sygnały z kanałów głównych połączono z innym wzmacniaczem operacyjnym. Wyjścia z tych wzmacniaczy można połączyć w jakikolwiek możliwie najlepszy

165 205 sposób, na przykład tak, aby stosunek między nimi był sygnałem niezależnym od wielu czynników zewnętrznych.

Dalsze przetwarzanie sygnałów nie musi być rozpatrywane, wystarczy stwierdzić, że otrzymuje się sygnał wejściowy o możliwie dużej amplitudzie (jest ona zwykle rzędu od 2 do 400 mikrovoltów, zaś mierząc jego częstotliwość otrzymuje się prędkość przepływu. Można również zliczyć całkowitą liczbę cykli w danym okresie, która określa całkowity przepływ cieczy. Jeśli zależność między częstotliwością i prędkością przepływu nie jest wystarczająco liniowa w całym wymaganym zakresie, to miernik można wykalibrować, zaś wyniki kalibrowania można wykorzystać w programie układu korekcyjnego, poprzez szereg bloków funkcyjnych, przez które przechodzi sygnał dla wytworzenia końcowego obrazu reprezentującego przepływ płynu. Można go wprowadzić do układu scalonego zamontowanego w lub na obudowie urządzenia, i wówczas całe urządzenie jest integralne, skompletowane wraz z wyposażeniem elektrycznej rejestracji danych. Ponieważ sygnał na elektrodach jest wytworzony przez sam przepływ, zatem nie jest potrzebne żadne zewnętrzne źródło napięcia, a wymagane jest zasilanie jedynie dla koniecznych obwodów przetwarzania sygnałów. Te bardzo małe wymagania może spełnić bateria zamontowana w urządzeniu i mająca trwałość mierzoną w latach.

Jednakże stosowanie układów korekcyjnych jest niedogodne i lepiej jest, jeśli jest to możliwe, uzyskać liniowość w żądanym zakresie bezpośrednio przez właściwe projektowanie. Fig. 6 przedstawia wykres prób kalibracji, na którym liczba impulsów (cykli) na litr przepływu cieczy jest przedstawiona w zależności od prędkości przepływu. Logarytmiczna podziałka pozioma obejmuje przedział od 0,001 do 1 litra na sekundę. Punkty idealne powinny leżeć na jednej linii poziomej. Wykres wykazuje, że dla strumienia o szerokości 3 mm przy przepływach większych od 0,05 litra na sekundę, rozrzut liczby impulsów na litr zawiera się w przedziale 2% wartości średniej, która wynosi 68,165. Przy mniejszych prędkościach przepływu częstotliwość impulsów spada do około 57 impulsów na litr dla prędkości przepływu około 0,0035 litra na sekundę. Trzeba pamiętać, że rozpatrywano jedynie częstotliwość oscylatora strumieniowego i jego zachowanie nie ma nic wspólnego ze sposobem pomiaru częstotliwości, a mianowicie czy jest to sposób elektromagnetyczny (jak opisano wcześniej) czy inny ze znanych sposobów.

Figura 5 przedstawia możliwość poprawienia liniowości sygnału odpowiedzi, w szczególności przy małych prędkościach przepływu przez odpowiednie ukształtowanie przekroju przepływu. Wlot strumienia zamiast prostego przekroju prostokątnego ma poszerzenie u góry i na dole tworząc przekrój I, jakkolwiek może być wystarczające poszerzenie tylko na jednym końcu. Jednocześnie jego szerokość może być zmniejszona. Fig. 6 pokazuje również znaczną poprawę liniowości otrzymaną dla przekroju strumienia o szerokości 2 mm, z bocznymi szczelinami u góry i na dole pokazanymi na fig. 5. Sygnał odpowiedzi jest liniowy w przedziale 2% poniżej 0,004 litra na sekundę i w przedziale 5% poniżej 0,003 litra na sekundę.

Przyczyna tej poprawy nie jest obecnie w pełni zrozumiała, ale można przypuszczać, że przy małych prędkościach przepływu tory na górze i na dole strumienia stanowią źródło dodatkowego przepływu do pętli sprzężenia zdrowotnego, powodując przeskok strumienia. Przy większych prędkościach przepływu impedancja torów na górze i na dole strumienia fluktującego przepływu jest taka, że tor nie może zapewnić przepływu dodatkowego. Mechanizm ten wpływa na zwiększenie szybkości przeskakiwania strumienia przy małych przepływach.

FIG 4

___________68,165-5% .3 *2 ·* ♦ * ·*<’«.

68,165 ±2%

0,001 0,01 0,1 1,0

FIG 6.

¹ \\ ι ι ^Ή

FIG 1

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz.

Cena 10 000 zł

Claims (8)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Miernik przepływu cieczy, zwłaszcza do pracy jako domowy wodomierz, zawierający oscylator strumieniowy o sprzężeniu zwrotnym, posiadający kanał wlotowy strumienia cieczy, rozdzielacz przedzielający przepływ z kanału wlotowego do pierwszego i drugiego kanału głównego oraz kanał sprzężenia zwrotnego prowadzący z każdego kanału głównego do odpowiednich przeciwległych boków kanału wlotowego, znamienny tym, że posiada elementy stanowiące przynajmniej jeden trwały magnes (8,9; 12,13; 17,18) do wytwarzania pola magnetycznego w poprzek kanału (3, 4, 6, 7), w którym przepływ cieczy ulega zmianie z częstotliwością uzależnioną od natężenia przepływu, pierwszą parę elektrod (10,14) do wykrywania wytwarzanej różnicy potencjałów w cieczy w kierunku poprzecznym do przepływu i do pola magnetycznego, oraz element do pomiaru częstotliwości tej różnicy potencjałów i/lub do zliczania cykli oscylacji przepływu.
2. 2. Miernik według zastrz. 1, znamienny tym, że elektrody (10,11,16) są umieszczone w jednym z głównych kanałów (3, 4).
3. 3. Miernik według zastrz. 1, znamienny tym, że elektrody (14,15) są umieszczone w przynajmniej jednym z kanałów sprzężenia zwrotnego (6, 7).
4. 4. Miernik według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że ma drugą parę elektrod (11,15) umieszczoną w drugim kanale (4,7), przez który również przechodzi w poprzek pole magnetyczne.
5. 5. Miernik według zastrz. 4, znamienny tym, że pierwsza i druga para elektrod (10,11,14,15) jest połączona razem w układzie przeciwsobnym i odbiera różnicę potencjałów w kanałach (3,4,6, 7), w których przepływ zmienia się w przeciwnych kierunkach.
6. 6. Miernik według zastrz. 1, znamienny tym, że magnes (8, 9,12, 13,17,18) jest osadzony w ścianie obudowy miernika i jest izolowany elektrycznie od cieczy przepływającej w dowolnym z kanałów.
7. 7. Miernik według zastrz. 1, znamienny tym, że magnes jest wykonany z materiału nie przewodzącego elektrycznie i tworzy część ściany jednego z kanałów.
8. 8. Miernik według zastrz. 1, znamienny tym, że przekrój kanału wlotowego (2) jest zasadniczo prostokątny i jest poszerzony na boki co najmniej przy jednym końcu tworząc przekrój o kształcie T lub I.