RU2035720C1

RU2035720C1 - Flow rate pickup

Info

Publication number: RU2035720C1
Authority: RU
Inventors: А.А. Ивашкин; В.П. Конарев
Original assignee: Ивашкин Анатолий Алексеевич
Priority date: 1992-02-28
Filing date: 1992-02-28
Publication date: 1995-05-20

Abstract

FIELD: measuring equipment. SUBSTANCE: emitter and receiver of light are axially alined and positioned from diametrically opposite sides of a micro-turbine in openings made in a housing. The opening for receiving the emitter is provided with conical outlet. A transparent ring is received in a grove made in the housing. The width and depth of the groove is equal to the height and thick of the transparent ring respectively. The number of blades of the micro-turbine is even. The blades are uniformly arranged over the generatrix of the shaft. Through radial openings are made in the shaft between the blades. The openings serve to connect the emitter with the receiver optically. The area of the cross-section defined by the internal space of the housing and micro- turbine shaft side is equal to the area of the cross- section of the inlet and outlet branch pipes. EFFECT: improved accuracy of measurements. 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве датчика мгновенного расхода бензина, например, в легковых автомобилях. The invention relates to measuring equipment and can be used as a sensor of the instantaneous flow of gasoline, for example, in cars.

Известен датчик скорости [1] который содержит корпус, внутри которого размещен чувствительный элемент крыльчатка, выполненная из магнитомягкого материала. Крыльчатка закреплена в опорах. На корпусе установлен узел съема в виде секций первичной и вторичной обмоток. При вращении крыльчатки происходит перераспределение магнитного потока, пронизывающего секции вторичной обмотки, вследствие чего на ее выходе появляется сигнал в виде изменяющегося по амплитуде напряжения. Частота модуляции сигнала пропорциональна числу оборотов крыльчатки, а следовательно, и скорости потока. Known speed sensor [1] which contains a housing, inside of which there is a sensing element of the impeller made of soft magnetic material. The impeller is fixed in the supports. A detachment unit is installed on the body in the form of sections of the primary and secondary windings. When the impeller rotates, redistribution of the magnetic flux penetrating the sections of the secondary winding occurs, as a result of which a signal appears in its output in the form of a voltage varying in amplitude. The frequency of the modulation of the signal is proportional to the number of revolutions of the impeller, and hence the flow velocity.

Конструкция узла съема информации ограничивает использование датчика из-за его сложности и относительно большой массы, обусловленной наличием обмоток. Чувствительность датчика невысокая из-за большой массы крыльчатки, выполненной из магнитомягкого материала. Эти недостатки ограничивают использование датчика, например, в качестве датчика мгновенного расхода топлива (бензина) в легковых автомобилях, где необходима высокая чувствительность, небольшая масса, высокая надежность и малые габариты. The design of the data pickup unit limits the use of the sensor due to its complexity and relatively large mass due to the presence of windings. The sensitivity of the sensor is low due to the large mass of the impeller made of soft magnetic material. These disadvantages limit the use of the sensor, for example, as a sensor of instantaneous fuel (gas) consumption in cars where high sensitivity, light weight, high reliability and small dimensions are required.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является датчик расхода жидкости [2] содержащий корпус с соосно расположенными входным и выходным патрубками, микротурбинку с четным числом лопастей, равномерно распределенных по образующей вала, установленного в опорах соосно с патрубками, а также узел съема информации, включающий оптически связанные между собой источник излучения и фотоприемник со светопрозрачными элементами. The closest in technical essence to the proposed one is a fluid flow sensor [2] comprising a housing with coaxially located inlet and outlet nozzles, a microturbine with an even number of blades evenly distributed along the generatrix of the shaft installed in the bearings coaxially with the nozzles, and also an information acquisition unit, including optically coupled radiation source and a photodetector with translucent elements.

Датчик представляет собой турбинный расходомер с микротурбинкой, которая при вращении пересекает световой поток, идущий от источника излучения на фотоприемник, т.е. в узле съема информации лопасти выполняют функцию шторки, перекрывающей световой поток. При этом на выходе фотоприемника создается переменный фототок, частота которого определяется по формуле
f (n˙m)/60, (1) где n число оборотов микротурбинки в минуту, определяемое расходом жидкости или газа;
m число лопастей микротурбинки.The sensor is a turbine flowmeter with a microturbine, which during rotation crosses the light flux coming from the radiation source to the photodetector, i.e. in the information pickup unit, the blades perform the function of a shutter that blocks the luminous flux. At the same time, an alternating photocurrent is created at the output of the photodetector, the frequency of which is determined by the formula
f (n˙m) / 60, (1) where n is the number of revolutions of the microturbine per minute, determined by the flow of liquid or gas;
m is the number of microturbine blades.

Датчику присущи следующие недостатки. Число лопастей (m) ограничено, так как при увеличении числа лопастей выше допустимого их числа прохождению светового потока от источника излучения помещают соседние лопасти, т.е. прекращается прохождение светового потока на фотоприемник. Ограничение числа лопастей приводит к снижению точности (чувствительности) датчика, что неприемлемо для датчиков расхода жидкости, используемых для измерения расхода бензина в легковых автомобилях. Датчик выполнен со смещением центра масс относительно оси вращения микротурбинки и потока измеряемой жидкости, поэтому установка его на объекте должна производиться в строго определенном положении и требует дополнительных крепежных узлов. Излучение распространяется в значительном телесном угле, что не обеспечивает строго направленного излучения от источника к фотоприемнику, а это приводит к необходимости выбора мощного источника излучения. Эти недостатки ограничивают использование датчика, например, в качестве датчика расхода жидкости, например топлива (бензина), в легковых автомобилях, где необходимы высокая чувствительность и точность. The sensor has the following disadvantages. The number of blades (m) is limited, since when the number of blades increases above their permissible number, adjacent blades are placed to the passage of the light flux from the radiation source, i.e. The passage of the light flux to the photodetector stops. Limiting the number of blades leads to a decrease in the accuracy (sensitivity) of the sensor, which is unacceptable for liquid flow sensors used to measure gasoline flow in cars. The sensor is made with a displacement of the center of mass relative to the axis of rotation of the microturbine and the flow of the measured fluid, therefore, its installation on the object must be carried out in a strictly defined position and requires additional mounting nodes. The radiation propagates in a significant solid angle, which does not provide strictly directed radiation from the source to the photodetector, and this leads to the need to choose a powerful radiation source. These disadvantages limit the use of the sensor, for example, as a liquid flow sensor, such as fuel (gasoline), in cars where high sensitivity and accuracy are required.

Цель изобретения расширение области использования за счет повышения точности и увеличения ресурса. The purpose of the invention is the expansion of the field of use by increasing accuracy and increasing resource.

На чертеже изображен датчик расхода жидкости в разрезе. The drawing shows a liquid flow sensor in the context.

Датчик расхода жидкости содержит герметичный корпус, состоящий из фланцев 1,2, входного и выходного патрубков 3 и 4, по которым втекает и вытекает жидкость, например бензин. Внутри корпуса, в его полости, установлена микротурбинка 5 с четным числом лопаток 6, равномерно распределенных по образующей вала 7. Концы вала установлены в опорах 8,9 с обтекателями 10,11. В опорах по периферии выполнены отверстия 12,13 для поступления бензина в полость с микротурбинкой 5 и выхода из нее. Микротурбинка установлена в опорах 8,9 с возможностью вращения вокруг своей оси посредством установленных в опорах элементов, например шарикоподшипников 14,15. В валу 7 микротурбинки 5 между лопастями 6 радиально выполнены сквозные отверстия 16. Число сквозных отверстий 16 равно числу лопаток 6. В месте соединения фланцев 1,2 корпуса с диаметрально противоположных сторон соосно с отверстиями 16 выполнены отверстия 17, 18, в которых установлены источник 19 излучения с выводами 20,21 и фотоприемник 22 с выводами 23,24, причем выход отверстия 17, в котором установлен источник 19 излучения, выполнен конусообразным. Диаметр выходного отверстия 17 равен диаметру сквозных отверстий 16 в валу 7 микротурбинки 5. Источником 19 излучения является светодиод узконаправленного излучения, а фотоприемником 22 фотодиод. Источник 19 излучения и фотоприемник 22 образуют узел съема информации. The fluid flow sensor contains a sealed housing consisting of flanges 1,2, inlet and outlet pipes 3 and 4, through which fluid flows, for example, gasoline. Inside the housing, in its cavity, a microturbine 5 is installed with an even number of blades 6 evenly distributed along the generatrix of the shaft 7. The ends of the shaft are mounted in supports 8.9 with fairings 10.11. Holes 12,13 are made in the supports around the periphery for gasoline entering the cavity with the microturbine 5 and exiting it. The microturbine is mounted in bearings 8.9 with the possibility of rotation around its axis by means of elements installed in the bearings, for example ball bearings 14.15. Through holes 16 are radially made in the shaft 7 of the microturbine 5 between the blades 6. The number of through holes 16 is equal to the number of blades 6. At the junction of the housing flanges 1,2 from diametrically opposite sides, holes 17, 18 are made coaxially with the holes 16, in which the source 19 is installed radiation with conclusions 20,21 and a photodetector 22 with conclusions 23,24, and the output of the hole 17 in which the radiation source 19 is mounted is made conical. The diameter of the outlet 17 is equal to the diameter of the through holes 16 in the shaft 7 of the microturbine 5. The radiation source 19 is a narrow-emission radiation LED, and a photodetector 22. The radiation source 19 and the photodetector 22 form an information pickup unit.

В корпусе в месте соединения фланцев 1,2 выполнен паз 25, в который установлено светопрозрачное кольцо 26, причем ширина и глубина паза соответственно равны высоте и толщине светопрозрачного кольца. Фланцы 1,2 соединены между собой, например, болтами, причем обеспечивается герметичность корпуса датчика путем установки в промежуток между фланцами резинового кольца, установленного в выполненные в торцах фланцев пазы. Этому же способствует введение герметика между стенками паза 25 и светопрозрачного кольца 26. In the housing at the junction of the flanges 1,2, a groove 25 is made, in which a translucent ring 26 is installed, and the width and depth of the groove are respectively equal to the height and thickness of the translucent ring. The flanges 1,2 are interconnected, for example, by bolts, and the tightness of the sensor housing is ensured by installing a rubber ring installed in the grooves made at the ends of the flanges between the flanges. The same contributes to the introduction of sealant between the walls of the groove 25 and the translucent ring 26.

В датчике расхода жидкости площадь поперечного сечения, заключенная между внутренней полостью корпуса и поверхностью вала 7 микротурбинки 5, равна площади поперечного сечения входного и выходного патрубков. In the fluid flow sensor, the cross-sectional area enclosed between the internal cavity of the housing and the surface of the shaft 7 of the microturbine 5 is equal to the cross-sectional area of the inlet and outlet nozzles.

Диаметр вала микротурбинки и диаметр внутренней полости корпуса в зависимости от внутреннего диаметра патрубков определяется с учетом следующего. Площадь поперечного сечения патрубков определяется из выражения
S₁ π (d₁ ²/4), (2) где d₁ внутренний диаметр входного и выходного патрубков.The diameter of the microturbine shaft and the diameter of the inner cavity of the housing, depending on the inner diameter of the nozzles, is determined taking into account the following. The cross-sectional area of the nozzles is determined from the expression
S ₁ π (d ² _1/4) (2) where d _1, the inner diameter of the inlet and outlet ports.

Площадь поперечного сечения, заключенная между внутренней полостью корпуса и поверхностью вала микротурбинки, определяется из выражения
S₂ (d₃ + d₂)/2 (d₃ d₂)/2, (3) где d₂ диаметр вала микротурбинки;
d₃ внутренний диаметр корпуса.The cross-sectional area concluded between the internal cavity of the housing and the surface of the microturbine shaft is determined from the expression
S ₂ (d ₃ + d ₂ ) / 2 (d ₃ d ₂ ) / 2, (3) where d _{2 is the} diameter of the microturbine shaft;
d ₃ inner diameter of the housing.

Для обеспечения одинаковой скорости потока жидкости (бензина) как в патрубках, так и в полости микротурбинки необходимо выполнение условия
S₁ ≃ S₂ (4)
Выбрав один из диаметров, например диаметр вала микротурбинки, определим внутренний диаметр корпуса.To ensure the same flow rate of liquid (gasoline) both in the nozzles and in the cavity of the microturbine, it is necessary to fulfill the condition
S ₁ ≃ S ₂ (4)
Having chosen one of the diameters, for example, the diameter of the microturbine shaft, we determine the inner diameter of the casing.

Как видно из формулы (1), увеличение S₂ ведет к снижению числа оборотов микротурбинки в минуту, что, в свою очередь, ведет к снижению чувствительности и точности датчика.As can be seen from formula (1), an increase in S ₂ leads to a decrease in the number of revolutions of the microturbine per minute, which, in turn, leads to a decrease in the sensitivity and accuracy of the sensor.

Размещение источника излучения и фотоприемника с диаметрально противоположных сторон вала микротурбинки соосно с выполненными в валу микротурбинки сквозными отверстиями снимает ограничение по числу лопаток микротурбинки. Placing the radiation source and the photodetector on diametrically opposite sides of the microturbine shaft coaxially with through holes made in the microturbine shaft removes the limitation on the number of microturbine blades.

Как видно из формулы (1), при увеличении числа лопаток (m) увеличивается частота, а следовательно, и точность измерения потока жидкости. As can be seen from formula (1), with an increase in the number of blades (m), the frequency and, consequently, the accuracy of measuring the fluid flow increases.

Повышению надежности прохождения светового потока от источника излучения к фотоприемнику способствует выполнение выходного отверстия, в котором установлен источник излучения, в виде усеченного конуса с меньшим отверстием, обращенным к отверстию вала микротурбинки. Световой поток от источника излучения формируется в узкий и мощный пучок, который затем посредством выполненных в валу отверстий попадает на фотоприемник, обеспечивая его надежное срабатывание. The reliability of the passage of the light flux from the radiation source to the photodetector is facilitated by the output hole in which the radiation source is installed, in the form of a truncated cone with a smaller hole facing the hole of the microturbine shaft. The luminous flux from the radiation source is formed into a narrow and powerful beam, which then through the holes made in the shaft enters the photodetector, ensuring its reliable operation.

Смещение источника излучения внутри полости микротурбинки, а следовательно, выполнение внутреннего диаметра светопрозрачного кольца меньшим внутреннего диаметра корпуса недопустимо, так как это ведет к нарушению соотношения (4), что ведет к снижению чувствительности и точности датчика. The displacement of the radiation source inside the cavity of the microturbine, and therefore, the execution of the inner diameter of the translucent ring smaller than the inner diameter of the casing, is unacceptable, since this leads to a violation of relation (4), which leads to a decrease in the sensitivity and accuracy of the sensor.

Датчик расхода жидкости работает следующим образом. The fluid flow sensor operates as follows.

Поток жидкости поступает во входной патрубок 3, протекает по обтекателю 10 и через отверстия 12 опоры 8 попадает во внутреннюю полость корпуса с находящейся в ней микротурбинкой 5. Поток жидкости создает давление на лопатки 6, что приводит к вращению микротурбинки вокруг своей оси. Далее поток жидкости через отверстия 13 и обтекатель 11 опоры 9 поступает в выходной патрубок 4. The fluid flow enters the inlet pipe 3, flows through the fairing 10 and through the holes 12 of the support 8 enters the internal cavity of the housing with the microturbine 5 located in it. The fluid flow creates pressure on the blades 6, which leads to the rotation of the microturbine around its axis. Next, the fluid flow through the holes 13 and the fairing 11 of the support 9 enters the outlet pipe 4.

При подаче на выводы 20,21 источника 19 излучения постоянного тока источник излучения излучает световой поток. Когда при вращении турбинки 5 одно из сквозных отверстий 16 в валу 7 станет соосным отверстию 17, в котором установлен соосно источник 19 излучения, световой поток проходит сквозь отверстие 16 и попадает на фотоприемник 22, установленный в отверстии 18, соосном с отверстием 16. С выводов 23,24 фотоприемника 22 снимается сигнал во вторичный прибор. Таким образом, источник 19 излучения и фотоприемник 22 являются фотоэлектрическим узлом съема информации о скорости вращения микротурбинки 5, а следовательно, о мгновенном расходе жидкости, например бензина. Частота вращения микротурбинки пропорциональна скорости протекания через датчик жидкости. Так как в валу 7 выполнено n сквозных отверстий 16, то частота сигнала с выводов 23,24 фотоприемника 22 превышает в n раз один оборот микротурбинки 5. Выходное отверстие 17 с установленным в нем источником 19 излучения выполнено конусообразным. Это приводит к формированию светового потока от источника излучения в форму луча, обеспечивающего надежное срабатывание фотоприемника 22. Нераспространению светового потока от источника излучения во всем объеме микротурбинки 5 способствуют и стенки лопаток 6, между которыми выполнены сквозные отверстия 16, а введение светопрозрачного кольца 26 обеспечивает прохождение светового потока на фотоприемник 22 через отверстие 18. When applying to the conclusions of 20.21 source 19 of direct current radiation, the radiation source emits a luminous flux. When during rotation of the turbine 5 one of the through holes 16 in the shaft 7 becomes a coaxial hole 17, in which the radiation source 19 is mounted coaxially, the light flux passes through the hole 16 and enters the photodetector 22 installed in the hole 18, coaxial with the hole 16. From the conclusions 23.24 of the photodetector 22, the signal is removed to the secondary device. Thus, the radiation source 19 and the photodetector 22 are a photovoltaic unit for acquiring information about the rotation speed of the microturbine 5, and therefore, about the instantaneous flow rate of a liquid, such as gasoline. The microturbine rotational speed is proportional to the flow rate through the fluid sensor. Since n through holes 16 are made in the shaft 7, the frequency of the signal from the terminals 23.24 of the photodetector 22 exceeds n times one revolution of the microturbine 5. The output hole 17 with the radiation source 19 installed therein is conical. This leads to the formation of the light flux from the radiation source into the shape of a beam, which ensures reliable operation of the photodetector 22. Non-proliferation of the light flux from the radiation source in the entire volume of the microturbine 5 is also facilitated by the walls of the blades 6 between which through holes 16 are made, and the introduction of a translucent ring 26 allows passage luminous flux to the photodetector 22 through the hole 18.

Повышение точности датчика достигается тем, что повышается в n раз частота импульсов с датчика, что повышает не только чувствительность датчика в диапазоне низких скоростей потока жидкости, но и точность при дальнейшей обработке сигнала во вторичном приборе. Выполнение площади поперечного сечения заключенной между внутренней полостью корпуса и поверхностью вала микротурбинки равновеликой площади поперечного сечения входного и выходного патрубков способствует повышению точности датчика, так как позволяет стабилизировать скорость протекания жидкости как в патрубках, так и в рабочем объеме корпуса датчика. Improving the accuracy of the sensor is achieved by increasing n times the frequency of pulses from the sensor, which increases not only the sensitivity of the sensor in the range of low liquid flow rates, but also the accuracy during further signal processing in the secondary device. The implementation of the cross-sectional area concluded between the inner cavity of the housing and the surface of the microturbine shaft with an equal cross-sectional area of the inlet and outlet nozzles helps to improve the accuracy of the sensor, since it allows to stabilize the fluid flow rate both in the nozzles and in the working volume of the sensor housing.

Claims

A FLUID FLOW SENSOR, comprising a housing with coaxial inlet and outlet nozzles, a microturbine with an even number of blades arranged uniformly along a generatrix of the shaft mounted coaxially with the nozzles, as well as an information pickup unit including an optically coupled radiation source and a photodetector with translucent elements characterized in that the radiation source and the photodetector are mounted coaxially from the diametrically opposite sides of the microturbine shaft into the holes made in the housing, the outlet exit with the radiation source installed in it is made in the form of a truncated cone, the smaller base of which is facing the microturbine shaft, the radiation source and the photodetector are optically interconnected by holes made radially in the microturbine shaft between the blades according to their number, the cross-sectional area enclosed between the internal cavity housing and the surface of the microturbine shaft, is made of an equal cross-sectional area of the inlet and outlet pipes, translucent elements of the radiation source The sensors and the photodetector are combined and made in the form of a single translucent ring with an inner diameter equal to the inner diameter of the housing installed in a groove made on the inner surface of the housing symmetrically with respect to the axis of the radiation source and the photodetector.