PL224360B1

PL224360B1 - Przepływomierz wirnikowy z odczytem elektronicznym

Info

Publication number: PL224360B1
Application number: PL394473A
Authority: PL
Inventors: Antoni Fila
Original assignee: Fila Antoni Polska Fabryka Wodomierzy i Ciepłomierzy FILA
Priority date: 2011-04-07
Filing date: 2011-04-07
Publication date: 2016-12-30
Also published as: PL394473A1; EP2694925A1; WO2012138239A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest przepływomierz wirnikowy z odczytem elektronicznym, stanowiący urządzenie do pomiaru przepływu objętościowego płynu, zwłaszcza wody, montowane na rurociągu. Wodomierz stanowi urządzenie przeznaczone do zastosowania szczególnie na przewodach wodnych w sieci wodociągowej wody zimnej i ciepłej.

Według znanych rozwiązań, przepływomierze, w szczególności wodomierze wirnikowe stanowią urządzenia zawierające układ liczący sprzężony z wirnikiem w postaci koła łopatkowego. W korpusie wodomierza, w komorze wirnikowej osadzony jest na jednej osi lub na dwóch osiach wirnik o charakterze koła łopatkowego, na osi prostopadłej do kierunku przepływu cieczy. Płyn przepływa przez komorę wirnikową w kierunku prostopadłym do osi obrotu wirnika, powodując jego obrót proporcjonalny do natężenia przepływu. Liczba obrotów wirnika jest zależna od objętościowego natężenia przepływu cieczy. Znany przepływomierz wyposażony jest zwykle w bezdotykowy czujnik liczby obrotów. Sygnał z czujnika, po jego przekształceniu, jako sygnał impulsowy zostaje użyty do obliczeń. Liczba impulsów jest proporcjonalna do wartości przepływu cieczy wewnątrz przewodu.

W rozwiązaniu znanym z opisu patentowego japońskiego nr JP 56100313 przedstawiono przepływomierz magnetyczny. Według tego rozwiązania stałe magnesy są zamocowane do kołnierza na osi wirnika obracającego się proporcjonalnie do zużycia wody. Impulsy elektryczne są wytwarzane w czujniku magnetycznym w zależności od obrotów kołnierza z magnesami i zliczane są w liczniku elektronicznym oraz wyświetlane na wyświetlaczu ciekłokrystalicznym. Magnesy są wytworzone z kątowym ustawieniem do obrotowej osi wirnika. Tak więc liniowa siła magnetyczna wytwarzana przez stałe magnesy jest płaska i czujnik magnetyczny może być umieszczony w sąsiedztwie magnesu, bez skutku oddziaływania na obroty wirnika, mimo swoich małych rozmiarów, które mogą być zwiększane w zależności od potrzeb.

Inne rozwiązanie przepływomierza magnetycznego zostało przedstawione w kolejnym opisie patentowym japońskim nr JP 56094219. W tym znanym rozwiązaniu w komorze wodomierza znajduje się wirnik ze stałym magnesem. Obroty tego magnesu, w proporcji do obrotów wirnika są przetwarzane w impulsy elektryczne poprzez przekazanie ich przez pokrywę komory wodomierza do czujnika magnetycznego i tak natężenie przepływu wody jest mierzone przez obwód elektroniczny stanowiący elektroniczne liczydło z ciekłokrystalicznym wyświetlaczem oraz źródłem zasilania. W obwodzie elektronicznym, pomiędzy dolną obudową a górną obudową znajduje się uszczelnienie i jego powierzchnia łącząca jest przepuszczalna dla fale ultradźwiękowych. Obwód elektroniczny jest zabudowany na części licznikowej wodomierza z wykorzystaniem uszczelnienia, pierścienia łączącego i zawiera kolejne elementy układu w wydzielonej, odpornej na wilgoć przestrzeni wodomierza przeznaczonej dla obwodu elektronicznego.

Kolejne znane rozwiązanie przepływomierza z odczytem elektronicznym przedstawiono w opisie patentowym japońskim nr JP 2003207376. W tym znanym rozwiązaniu króciec jest połączony z króćcem wody. Kiedy następuje przepływ wody, wirnik w komorze wirnika obraca się. Czujnik fotoelektryczny wykrywa światło odbite od odbłyśnika zamocowanego na płytce wirnika i przekazuje i przekazuje sygnały impulsowe do zespołu wyświetlacza w postaci impulsów napięciowych. Zużycie wody jest wyświetlane na podstawie transmitowanych sygnałów.

Przepływomierze wyposażone w elektroniczne wskaźniki przepływu, zawierają więc układ elektroniczny, zliczający impulsy indukowane przez nadajnik sygnałów umieszczony zwykle na osi wirnika przepływomierza, na przykład przez element magnetyczny, współpracujący z czujnikiem Halla. Impulsy są zliczane i przemnażane przez ilość przepływającego płynu ustaloną na stanowisku pomiarowym dla danego typu wodomierza. Wynik pokazywany jest na wyświetlaczu w postaci objętości płynu, który przepłynął przez korpus wodomierza w określonym czasie.

Problemem są pomiary natężenia przepływu w warunkach dolnej granicy skrajnych przepływów, to znaczy przepływów zbliżonych do zakresu nominalnego, a także w warunkach górnej granicy skrajnych przepływów, powyżej zakresu nominalnego przepływomierza, ale także w zakresie nominalnych przepływów, gdzie również niejednokrotnie notuje się nieliniową charakterystykę błędu wodomierza. W skrajnych warunkach wartości przepływu płynu odbiegają często znacznie od wartości nominalnych zapisanych w pamięci licznika.

W tego rodzaju przepływomierzach część mokrą stanowi zwykle cylindryczna komora wirnika wewnątrz której osadzony jest obrotowo wirnik w postaci koła łopatkowego o osi obrotu prostopadłej do kierunku przepływu cieczy. Na osi wirnika zamocowane są promieniowe łopatki. Strumień płynącej

PL 224 360 B1 przez komorę wirnika cieczy, skierowanej poprzez usytuowanie króćca wlotowego i króćca wylotowego cieczy do/z komory wirnika, na jedną ze stron komory, uruchamia obrót wirnika o prędkości obrotowej proporcjonalnej do objętościowego natężenia przepływu cieczy. Obroty wirnika w jednostce czasu są zliczane i przetwarzane w układzie mechanicznym lub elektronicznym w części liczącej wodomierza. Jak to wskazano wyżej w wodomierzach elektronicznych znajduje zastosowanie przede wszystkim odczyt impulsów magnetycznych pochodzących od magnesu lub magnesów stałych zamocowanych do wirnika i odczytywanych przez nieruchomy czujnik magnetyczny zamocowany do obudowy wodomierza. Rozwiązanie tego rodzaju powoduje że wodomierz jest wrażliwy na zewnętrzną ingerencję polem magnetycznym.

W rozwiązaniach znanych ze stanu techniki zasadniczym problemem jest dokładność wskazań wraz ze zmianami natężenia przepływu cieczy. Szczególnym problemem jest utrzymanie dokładności pomiaru w najniższych wartościach przepływu, w pobliżu i poniżej przepływu minimalnego przepływomierza. W obszarze przepływu nieco powyżej progu rozruchu wirnik pracuje niestabilnie, a nawet może ulec zatrzymaniu i wówczas nie wskazuje wartości przepływu cieczy. Stanowi to przyczynę znacznych błędów wskazań w tych obszarach pracy przepływomierza. Celem wynalazku jest obniżenie wartości przepływu minimalnego Q1 przepływomierza i wartości jego progu rozruchu.

Według wynalazku, przepływomierz z odczytem elektronicznym, zawiera korpus z komorą wirnikową wraz z króćcem wlotu i z króćcem wylotu wody, przy czym komora wirnikowa zamknięta jest górną pokrywą i w tej komorze wirnikowej znajduje się wirnik osadzony na osi prostopadłej do kierunku przepływu cieczy. Do piasty wirnika zamocowane są elementy tłumiące drgania obwodu elektromagnetycznego. W komorze suchej górnej pokrywy znajduje się odbiornik sygnałów wskaźnika, połączony z licznikiem i zawierający wyświetlacz wartości pomiarowych oraz opcjonalnie nadajnik z anteną.

Przepływomierz według wynalazku charakteryzuje się tym, że odbiornik sygnałów obrotów wirnika stanowi układ elektroniczny RLC emitujący stały strumień impulsów elektrycznych skierowany w kierunku linii obrotów elementu tłumiącego. Pod pojęciem linii obrotów elementu tłumiącego rozumie się okrąg po którego drodze porusza się element tłumiący zamocowany na piaście wirnika. Wraz z wirnikiem zamocowany na płaszczyźnie piasty wirnika element tłumiący obraca się wokół osi obrotu wirnika. Element tłumiący poruszający się po linii okręgu, którego promień wyznacza odległość od osi symetrii wirnika do punktów zamocowania elementu tłumiącego na prostopadłej do osi obrotu płaszczyźnie piasty wirnika.

Po drugiej stronie piasty, na przeciwnej, prostopadłej do osi obrotu płaszczyźnie piasty wirnika zamocowany jest drugi element tłumiący, o takiej samej masie jak pierwszy element tłumiący. W innym rozwiązaniu według wynalazku wskaźnik obrotów wirnika, może stanowić para elementów tłumiących zamocowanych po jednej stronie wirnika, na prostopadłej do osi obrotu w płaszczyźnie piasty wirnika. W tym rozwiązaniu oba elementy tłumiące rozmieszczone są symetrycznie jeden względem drugiego, na teoretycznej linii średnicy tej piasty wirnika. W tym rozwiązaniu, po drugiej stronie piasty wirnika zamocowana jest przeciwległa druga para elementów tłumiących, o takiej samej masie jak pierwsza para elementów tłumiących stanowiąca wskaźnik obrotów wirnika. Ta druga para elementów tłumiących zamocowana jest również symetrycznie na linii średnicy tej drugiej strony piasty wirnika. Celem takiego umiejscowienia obu par elementów tłumiących jest uzyskanie równomierności rozkładu masy wirnika w przepływającym płynie, wraz z pozostałymi elementami składowymi wirnika jak tuleje, łożysko oporowe i elementy tłumiące, tak w płaszczyźnie prostopadłej do osi wirnika przechodzącej przez środek wirnika, jak i w płaszczyźnie równoległej do osi wirnika przechodzącej przez środek wirnika.

Według wynalazku przewidziano, że ciężar wirnika kompletnego korzystnie odpowiada ciężarowi płynu wypartego przez ten wirnik. Dodatkowo przewidziano że, środek wyporu wirnika pokrywa się z jego środkiem ciężkości.

W rozwiązaniu według wynalazku zaproponowano nowe środki zmierzające do obniżenia naporu na oś wirnika, wynikającego z nierównomierności rozłożenia ciężaru wirnika.

Kolejnym zjawiskiem niekorzystnym, wyeliminowanym w rozwiązaniu według wynalazku jest problem niezrównoważenia ciężaru samego wirnika, co jest przyczyną przyspieszonego zużycia łożysk osi wirnika i ma wpływ na wzrastającą niedokładność wskazań przepływomierza. Wirnik o ciężarze równym ciężarowi wypartej wody, w środowisku wodnym zachowuje względną nieważkość i nie stawia praktycznego oporu wynikającego z własnego ciężaru, co jest niezwykle istotne przy przepływach wody w dolnych granicach strumienia objętości przepływomierza, gdzie notuje się zwykle najpoważniejsze błędy wskazań. Jak to stwierdzono w wyniku badań, rozwiązanie według wynalazku

PL 224 360 B1 pozwala uzyskać poważny postęp w dokładności wskazań przepływomierza, przy małych wartościach strumienia objętości, jakich w znanych rozwiązaniach nie uzyskano.

Przedmiot wynalazku przedstawiono w przykładach wykonania na załączonych rysunkach na przykładzie wodomierza, na których poszczególne figury rysunku ilustrują:

Fig. 1 - widok wodomierza od dołu,

Fig. 2 - widok wodomierza z góry,

Fig. 3 - przekrój wodomierza w pierwszym przykładzie wykonania,

Fig. 4 - widok wirnika od góry w pierwszym przykładzie wykonania,

Fig. 5 - widok wirnika od dołu w pierwszym przykładzie wykonania,

Fig. 6 - przekrój wodomierza w drugim przykładzie wykonania,

Fig. 7 - widok wirnika od góry w drugim przykładzie wykonania,

Fig. 8 - widok wirnika od dołu w drugim przykładzie wykonania,

Fig. 9 - przekrój wodomierza w trzecim przykładzie wykonania,

Fig. 10 - widok wirnika od góry w trzecim przykładzie wykonania,

Fig. 11 - widok wirnika od dołu w trzecim przykładzie wykonania,

Fig. 12 - widok wirnika według fig. 4 w kierunku zgodnym z osią obrotu wirnika,

Fig. 13 - widok elementu tłumiącego.

Jak to pokazano na załączonych rysunkach fig. 1 oraz fig. 2, wodomierz z odczytem elektronicznym, zawiera korpus 1 z komorą wirnikową wraz z króćcem wlotu 2 i z króćcem wylotu 3 wody. Na rysunkach fig. 3, fig. 6, fig. 9, pokazano że komora wirnikowa zamknięta jest górną płytą zamykającą 4 i w tej komorze wirnikowej znajduje się wirnik 5 osadzony na osi 51, 52, 53, prostopadłej do kierunku A przepływu wody. Do piasty 6 wirnika 5 zamocowany jest element tłumiący 71. Układ elektroniczny składający się z płytki elektronicznej 11, wyświetlacza 9, baterii 15 i anteny 10, znajdujących się w komorze suchej 8 i cewki 14 znajdującej się w płycie zamykającej wodomierz 4, wykrywa ruch elementów tłumiących 71, 72 na linii obrotów.

Jak to pokazano na rysunku 4 oraz fig. 5, w pierwszym przykładzie wykonania, do piasty wirnika zamocowane są dwa elementy tłumiące 71, 72. Układ elektroniczny emituje strumień impulsów elektromagnetycznych, skierowany w kierunku linii obrotów elementów tłumiących 71, 72. Pod pojęciem linii obrotów elementów tłumiących 71, 72 rozumie się okrąg po którego drodze poruszają się elementy tłumiące 71, 72 zamocowane na piaście 6 obrotowego wirnika 5. Wraz z obrotami wirnika 5, zamocowane na płaszczyźnie 12 piasty 6 wirnika 5 elementy tłumiące 71, 72 obracają się wokół osi obrotu 51, 52, 53 wirnika 5. Elementy tłumiące 71, 72 poruszają się po linii okręgu którego promień wyznacza odległość od osi symetrii wirnika 5 do punktu zamocowania elementów tłumiących 71, 72 na prostopadłej do osi obrotu płaszczyźnie 12 piasty 6 wirnika 5.

Po drugiej stronie piasty 6, na przeciwnej prostopadłej do osi obrotu płaszczyźnie 13 piasty wirnika 5 zamocowane są dwa równoważące elementy tłumiące 73, o takiej samej masie jak pierwsze dwa elementy tłumiące 71, 72 stanowiące wskaźnik obrotów wirnika.

W przedstawionych na załączonych rysunkach przykładach wykonania, elementy tłumiące 71, 72 stanowiące wskaźnik obrotów wirnika 5, stanowią parę elementów zamocowanych po jednej stronie piasty wirnika, na prostopadłej do osi obrotu płaszczyźnie 12 piasty 6 wirnika 5. W tym rozwiązaniu oba elementy tłumiące 71, 72 rozmieszczone są symetrycznie jeden względem drugiego, na teoretycznej linii średnicy tej piasty 6 wirnika 5. Pokazano to na załączonym rysunku fig. 4, fig. 7 oraz fig. 10. W tym przykładowym rozwiązaniu, po drugiej stronie piasty 6 wirnika 5, na płaszczyźnie 13 zamocowana jest przeciwległa druga para elementów 73, o takiej samej masie jak para elementów stanowiących wskaźniki 71, 72. Ta druga para elementów równoważących 73 zamocowana jest także symetrycznie na linii średnicy tej drugiej płaszczyzny 13 piasty 6 wirnika 5.

W opisanym i przedstawionym na rysunkach przykładzie wykonania ciężar wirnika wraz z elementami składowymi wirnika jak tuleje, łożysko oporowe i elementami tłumiącymi 71, 72 oraz wraz z elementami równoważącymi 73 po drugiej stronie piasty 6 wirnika 5, jest równy ciężarowi płynu wypartego przez ten kompletny wirnik.

Na rysunkach fig. 3, fig. 4 oraz fig. 5 przedstawiono pierwszy przykład wykonania wodomierza według wynalazku. W tym przykładzie wykonania wirnik 5 zawiera dwa elementy tłumiące dwa elementy wyważające 73, dwa łożyska ślizgowe 55 wewnątrz których osadzone są dwie półosie 51 nie będące częściami wirnika 5 i rozdzielone co najmniej jednym kamieniem szafirowym 54. W innych przykładach wykonania nie wyklucza się użycia innej ilości kamieni szafirowych 54, jak i innej ilości elementów tłumiących 71, 72 oraz elementów wyważających 73.

PL 224 360 B1

Na rysunkach fig. 6, fig. 7 oraz fig. 8 przedstawiono drugi przykład wykonania wodomierza według wynalazku. W tym przykładzie wykonania wirnik 5 zawiera z jednej strony półoś 52, zaś z drugiej strony tuleję 55 wewnątrz której osadzona jest druga półoś 51 nie będąca częścią wirnika 5. Ta oś 51 osadzona jest w korpusie wodomierza 1 i oparta jest o łożysko oporowe jakim jest kamień szafirowy 54 osadzony w wirniku 5. Wirnik zawiera dwa elementy tłumiące 71, 72. W wirniku 5 od strony tulei 55 osadzony jest w tym przykładzie wykonania pierścień wyważający 74. W innych przykładach wykonania nie wyklucza się użycia innej ilości elementów tłumiących 71, 72 i wyważających 74.

Na rysunkach fig. 9, fig. 10 oraz fig. 11 przedstawiono trzeci przykład wykonania wodomierza według wynalazku. W tym przykładzie wykonania wirnik 5 zawiera dwa elementy tłumiące 71, 72 dwa elementy wyważające 73, oraz dwie półosie 53, będące częścią tego wirnika 5. Półosie 53 osadzone są w otworach w korpusie 5 oraz górnej pokrywie 4 komory wirnika 5. W innych przykładach wykonania nie wyklucza się użycia innej ilości elementów tłumiących 71, 72 oraz elementów wyważających 73.

Na rysunku fig. 12 przedstawiono wirnik 5 w widoku zgodnym z osią obrotu tego wirnika. Jak to pokazano, na płaszczyźnie 12 piasty 6, zamocowane są symetrycznie dwa elementy tłumiące 71, 72. Elementy tłumiące 71, 72 pokazano szczegółowo na rysunku fig. 13. Elementy 71,72 wykonano ze stali chromowej H17. Całość wirnika wraz z piastą 6 oraz łopatami wykonano z polipropylenu. W przykładowym wykonaniu pokazanym na rysunku fig. 12, kompletny wirnik zawiera elementy tłumiące 71, 72 na płaszczyźnie 12 oraz elementy równoważące 73 na przeciwległej płaszczyźnie 13 piasty 6. Elementy równoważące 73 również są wykonane ze stali H17, o takim samym kształcie jak elementy tłumiące 71, 72.

Kompletny wirnik, pokazany na rysunku fig. 12, przy średnicy φ 44,8 mm ma masę 3,69 g oraz ma objętość 3,69 cm³. Kompletny wirnik 5 waży więc tyle ile waży wyparta przezeń woda, i dodatkowo zgodnie z rozwiązaniem według wynalazku jest zrównoważony na osi. Pomiary wykonane po obu stronach, na pomiarowej osi obrotu wirnika 5, wykazały w opisywanym przykładzie wykonania masę po lewej stronie 1,845 g i po prawej stronie również 1,845 g. W przykładowym wirniku stosowanym w produkowanych dotychczas wodomierzach suchobieżnych ze sprzęgłem magnetycznym, nie zrównoważonym według wynalazku, rozkład mas wynosi po lewej stronie 0,38 g i po prawej stronie -0,25 g. Nie ogranicza to możliwości wykonania przepływomierza według wynalazku w innych wielkościach wirnika 5.

W innych przykładach wykonania wodomierza według wynalazku, może być przyjęta inna liczba elementów tłumiących 71, 72 na wirniku, jak również inna liczba lub forma elementów równoważących 73, jednakże z zachowaniem zasady zrównoważenia całości wirnika 5 zarówno w płaszczyźnie równoległej do osi obrotu wirnika 5, jak również w płaszczyźnie prostopadłej do osi obrotu wirnika 5, oraz z zachowaniem warunku całkowitego ciężaru wirnika 5 równego ciężarowi płynu wypartego przez ten kompletny wirnik 5. W przedstawionych przykładach wykonania w wirniku 5 środek wyporu pokrywa się ze środkiem ciężkości.

Wykaz oznaczeń na rysunku.

Korpus.

Króciec wlotu wody.

Króciec wylotu wody.

Płyta zamykająca wodomierza.

Wirnik.

Półoś wirnika.

Oś wirnika.

Kamień szafirowy.

Tuleja.

Piasta wirnika

Element tłumiący.

Element równoważący.

Pierścień wyważający.

Komora sucha.

Wyświetlacz.

Antena.

Płytka elektroniki.

Płaszczyzna piasty wirnika.

PL 224 360 B1

A.

Płaszczyzna piasty wirnika.

Cewka

Bateria.

Kierunek przepływu wody.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Przepływomierz wirnikowy z odczytem elektronicznym, zawierający korpus z komorą wirnikową oraz z króćcem wlotu i z króćcem wylotu cieczy, przy czym komora wirnikowa zamknięta jest górną pokrywą i w tej komorze wirnikowej znajduje się wirnik osadzony na osi prostopadłej do kierunku przepływu cieczy, przy czym do piasty wirnika zamocowany jest wskaźnik obrotów, zaś w komorze suchej górnej pokrywy znajduje się układ elektroniczny, znamienny tym, że wskaźnik obrotów wirnika (5) stanowi co najmniej jeden element tłumiący (71), zaś element wykrywający ruch elementu tłumiącego (71), stanowi układ elektroniczny (11) emitujący za pośrednictwem cewki (14) strumień impulsów elektromagnetycznych skierowany w kierunku linii obrotów elementu tłumiącego (71).
2. Przepływomierz według zastrz. 1, znamienny tym, że po drugiej stronie osi piasty (6) wirnika (5) zamocowany jest co najmniej jeden element wyważający (73).
3. Przepływomierz według zastrz. 2, znamienny tym, że element wyważający (73) ma wymiary elementu tłumiącego (71).
4. Przepływomierz według zastrz. 1, znamienny tym, że wskaźnik obrotów wirnika (5) stanowi zespół elementów tłumiących (71, 72) zamocowanych po jednej stronie piasty (6) wirnika (5) symetrycznie względem siebie, na co najmniej jednej teoretycznej linii średnicy tej piasty (6) wirnika (5).
5. Przepływomierz według zastrz. 3, znamienny tym, że po drugiej stronie wirnika (5) na piaście (6) zamocowany jest zespół elementów wyważających (73) o takiej samej masie jak zespół elementów (71, 72) stanowiący wskaźnik obrotów wirnika (5).
6. Przepływomierz według jednego z zastrzeżeń od 1 do 5, znamienny tym, że po drugiej stronie piasty (6) wirnika (5) zamocowany jest pierścień wyważający (14).
7. Przepływomierz według jednego z zastrzeżeń od 1 do 5, znamienny tym, że ciężar kompletnego wirnika (5) odpowiada ciężarowi cieczy wypartej przez ten wirnik (5).
8. Przepływomierz według jednego z zastrzeżeń od 1 do 5, znamienny tym, że w wirniku (5) środek wyporu pokrywa się ze środkiem ciężkości.