RU2190190C2

RU2190190C2 - Device measuring flow rate of current-conducting fluids

Info

Publication number: RU2190190C2
Application number: RU2000129405A
Authority: RU
Inventors: Ф.В. Кармазинов; С.Г. Гумен; В.И. Дикарев; Б.В. Койнаш
Original assignee: Кармазинов Феликс Владимирович; Гумен Сергей Григорьевич; Дикарев Виктор Иванович; Койнаш Борис Васильевич
Priority date: 2000-11-21
Filing date: 2000-11-21
Publication date: 2002-09-27

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: device is intended to determine flow rate of current-conducting fluids with use of triboelectric effect and electromagnetic phenomenon. Measurement section of pipe-line is manufactured from polymer material with high tribostatic capability and variable internal section having shape of narrowing and expanding cones connected in series and fitted with grounding electrode. EFFECT: increased accuracy and sensitivity of device to low flow rates of fluids. 3 dwg

Description

Предлагаемое устройство относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения расхода электропроводящих жидкостей с применением трибоэлектрического эффекта и электромагнитного явления. The proposed device relates to measuring technique and can be used to measure the flow rate of electrically conductive liquids using the triboelectric effect and the electromagnetic phenomenon.

Известны устройства для измерения расхода электропроводящих жидкостей, основанные на использовании трибоэлектрического эффекта и электромагнитного явления (авт. св. СССР 172073, 224826, 470702, 605093, 800650, 815505, 866413, 979860, 1190074, 1290074, 1328675, 1569555, 1668869, 1753281, 1739.203, 1830135; патенты РФ 2017067, 2032713; патенты США 3693439, 3729995, 4210022, 4417479, 4339958, 4590806, 4704907; патенты Великобритании 1165398, 2166550; патент Японии 56-54565; Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. - Л.: Машиностроение, 1989; Никитин В.И. Современные проблемы измерения малых расходов жидкости и газа // Измерительная техника, 1986, 2 и другие). Known devices for measuring the flow rate of conductive liquids based on the use of the triboelectric effect and the electromagnetic phenomenon (ed. St. USSR 172073, 224826, 470702, 605093, 800650, 815505, 866413, 979860, 1190074, 1290074, 1328675, 1569555, 1668869, 1753281, 1739.203, 1830135; RF patents 2017067, 2032713; US patents 3693439, 3729995, 4210022, 4417479, 4339958, 4590806, 4704907; UK patents 1165398, 2166550; Japan patent 56-54565; Kremlin P.P. Flow meters and quantity counters .-- L .: Engineering, 1989; V. Nikitin. Modern problems of measuring small flow rates of liquid and gas // Measuring technique, 19 86, 2 and others).

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является "Устройство для измерения расхода электропроводящих жидкостей" (авт. свид. СССР 815 505, G 01 F 1 /58, 1979), которое и выбрано в качестве ближайшего аналога. Of the known devices, the closest to the proposed one is the "Device for measuring the flow rate of electrically conductive liquids" (ed. Certificate of the USSR 815 505, G 01 F 1/58, 1979), which is chosen as the closest analogue.

Указанное устройство выполнено в виде участка трубы, размещенного между полюсными наконечниками, где у краев одного из полюсных наконечников расположена первая пара магнитодиодов, а у краев другого - вторая пара магнитодиодов аналогично первой, симметрично участку трубы. Магнитодиоды расположены так, что при отсутствии движения контролируемой жидкости они пронизываются магнитным полем одинаковой индуктивности, а при движении жидкости - поле в местах их расположения меняется в наибольшей степени. The specified device is made in the form of a pipe section located between the pole pieces, where at the edges of one of the pole pieces there is a first pair of magnetodiodes, and at the edges of the other a second pair of magnetodiodes similar to the first, symmetrically to the pipe section. Magnetodiodes are arranged so that in the absence of movement of the controlled fluid they are penetrated by a magnetic field of the same inductance, and when the fluid moves, the field at their locations changes to the greatest extent.

Магнитодиоды включены таким образом, что пары магнитодиодов находятся в смежных плечах, к одной из диагоналей моста подключен блок питания, а ко второй диагонали - последовательно включенные усилитель и регистрирующий прибор. Magnetodiodes are turned on in such a way that the pairs of magnetodiodes are located in adjacent arms, a power supply is connected to one of the diagonals of the bridge, and an amplifier and a recording device are connected in series to the second diagonal.

Недостатком данного устройства является низкая степень поляризации и как следствие низкая точность и чувствительность к малым расходам жидкости. The disadvantage of this device is the low degree of polarization and, as a consequence, low accuracy and sensitivity to low liquid flow rates.

Технической задачей изобретения является повышение точности и чувствительности к малым расходам жидкостей. An object of the invention is to increase the accuracy and sensitivity to low flow rates of liquids.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для измерения расхода электропроводящих жидкостей с постоянным полем возбуждения, основанном на измерении степени искажения основного магнитного поля потоком контролируемой жидкости, содержащем участок трубы, размещенный между двумя полюсными наконечниками магнитной системы, две пары магниточувствительных элементов, расположенных симметрично у краев первого и второго полюсных наконечников и включенных в четыре смежных плеча уравновешенного четырехплечного моста, блок питания моста и регистрирующий прибор, измерительный участок трубы, размещенный между двумя полюсными наконечниками магнитной системы, выполнен из полимерного материала с высокой трибостатической способностью и внутренним переменным сечением, имеющим форму последовательно соединенных сужающихся и расширяющихся конусов, и снабжен заземленными металлическими кольцами. The problem is solved in that in a device for measuring the flow rate of electrically conductive liquids with a constant field of excitation, based on measuring the degree of distortion of the main magnetic field by a flow of a controlled fluid containing a pipe section located between two pole tips of the magnetic system, two pairs of magnetically sensitive elements located symmetrically at edges of the first and second pole pieces and included in four adjacent shoulders of a balanced four-arm bridge, mos power supply This and the recording device, the measuring section of the pipe located between the two pole pieces of the magnetic system, is made of a polymer material with high tribostatic ability and an internal variable cross section, having the form of tapering and expanding cones in series, and equipped with grounded metal rings.

На фиг. 1 приведена схема размещения магниточувствительных элементов (магнитодиодов) у краев полюсных наконечников электромагнита; на фиг.2 - принципиальная схема включения магнитодиодов; на фиг.3 - разрез измерительного участка трубы, размещенный между двумя полюсными наконечниками магнитной системы. In FIG. 1 shows the layout of magnetically sensitive elements (magnetodiodes) at the edges of the pole tips of an electromagnet; figure 2 is a schematic diagram of the inclusion of magnetodiodes; figure 3 is a section of the measuring section of the pipe, placed between the two pole pieces of the magnetic system.

Устройство выполнено в виде участка трубы 1, размещенного между полюсными наконечниками 2 и 3, где у их краев расположены две пары магнитодиодов 4 и 5, 6 и 7, симметрично участку трубы. Магнитодиоды расположены так, что при отсутствии движения контролируемой жидкости они пронизываются магнитным полем одинаковой индуктивности, а при движении жидкости - поле в местах их расположения меняется в наибольшей степени. The device is made in the form of a pipe section 1 located between the pole pieces 2 and 3, where two pairs of magnetodiodes 4 and 5, 6 and 7 are located at their edges, symmetrically to the pipe section. Magnetodiodes are arranged so that in the absence of movement of the controlled fluid they are penetrated by a magnetic field of the same inductance, and when the fluid moves, the field at their locations changes to the greatest extent.

Магнитодиоды включены в плечи четырехплечевого моста таким образом, что пары магнитодиодов 4, 5 и 6, 7 находятся в смежных плечах, к одной из диагоналей моста подключен блок 8 питания, а ко второй диагонали - последовательно включенные усилитель 9 и регистрирующий прибор 10. Magnetodiodes are included in the arms of the four-arm bridge in such a way that the pairs of magnetodiodes 4, 5 and 6, 7 are located in adjacent shoulders, a power supply unit 8 is connected to one of the diagonals of the bridge, and an amplifier 9 and a recording device 10 are connected to the second diagonal.

Измерительный участок 11 трубы 1, размещенный между двумя полюсными наконечниками магнитной системы, выполнен из полимерного материала с высокой трибостатической способностью и внутренним переменным сечением, имеющим форму последовательно соединенных сужающихся и расширяющихся конусов, и снабжен заземленными металлическими кольцами 12. The measuring section 11 of the pipe 1, located between the two pole pieces of the magnetic system, is made of a polymer material with high tribostatic ability and an internal variable cross-section, having the form of tapering and expanding cones in series, and equipped with grounded metal rings 12.

Принцип работы устройства основан на использовании трибоэлектрического эффекта и электромагнитного явления. Трибоэлектрический эффект заключается в том, что при трении жидкости о внутреннюю поверхность измерительного участка трубы, выполненного из полимерного материала с высокой трибостатической способностью и внутренним переменным сечением, имеющим форму последовательно соединенных сужающихся и расширяющихся конусов, протекающая жидкость заряжается отрицательно, а измерительный участок - положительно. Однако образующиеся положительные заряды нейтрализуют некоторые отрицательные заряды жидкости в соответствии с законом Кулона, что значительно снижает степень поляризации движущейся жидкости. Для нейтрализации положительных зарядов измерительный участок трубы снабжен заземленными металлическими кольцами. The principle of operation of the device is based on the use of the triboelectric effect and the electromagnetic phenomenon. The triboelectric effect consists in the fact that when the fluid is rubbed against the inner surface of the measuring section of the pipe made of a polymeric material with high tribostatic ability and an internal variable cross-section, having the form of series-connected narrowing and expanding cones, the flowing liquid is negatively charged, and the measuring section is positive. However, the resulting positive charges neutralize some of the negative charges of the liquid in accordance with the Coulomb law, which significantly reduces the degree of polarization of the moving fluid. To neutralize positive charges, the measuring section of the pipe is equipped with grounded metal rings.

Следовательно, движущаяся жидкость представляет собой систему движущихся отрицательных зарядов и является током (конвективным), вокруг которого возникает магнитного поле. Данное магнитное поле, взаимодействуя с постоянным магнитным полем возбуждения, искажает его. Степень искажения пропорциональна скорости (расходу) контролируемой жидкости. В этом проявляется электромагнитное явление. Consequently, a moving fluid is a system of moving negative charges and is a current (convective) around which a magnetic field arises. This magnetic field, interacting with a constant magnetic field of the excitation, distorts it. The degree of distortion is proportional to the speed (flow rate) of the controlled fluid. This shows the electromagnetic phenomenon.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

При отсутствии магнитного поля (электромагнит отключен) величины сопротивления магнитодиодов равны между собой (Р₄=Р₅=Р₆=P₇), а при наличии магнитного поля (электромагнит включен) и отсутствии жидкости в трубопроводе величины сопротивления магнитодиодов изменяются на ±Р, где знаки ± зависят от напряжения магнитного поля, т.е. от расположения магнитодиодов по отношению к разноименным полюсным наконечникам. Тогда новые значения сопротивления магнитодиодов попарно равны между собой (Р₄=Р₅; Р₆=Р₇), и хотя величины сопротивления одной пары не равны величинам сопротивления другой пары (Р₄= Р₅)≠(Р₆= Р₇), в обоих случаях мост, который состоит из четырех одинаковых магнитодиодов, уравновешен.In the absence of a magnetic field (the electromagnet is turned off), the magnitudes of the resistance of the magnetodiodes are equal to each other (P ₄ = P ₅ = P ₆ = P ₇ ), and in the presence of a magnetic field (the electromagnet is turned on) and the absence of fluid in the pipeline, the values of the resistance of the magnetodiodes change by ± P, where the signs ± depend on the magnetic field voltage, i.e. from the location of the magnetodiodes in relation to the opposite pole tips. Then the new values of the resistance of the magnetodiodes are pairwise equal (P ₄ = P ₅ ; P ₆ = P ₇ ), and although the resistance values of one pair are not equal to the resistance values of the other pair (P ₄ = P ₅ ) ≠ (P ₆ = P ₇ ) , in both cases, the bridge, which consists of four identical magnetodiodes, is balanced.

При наличии потока жидкости в трубопроводе движущаяся жидкость со скоростью V создает разность потенциалов вследствие трибоэлектрического эффекта. При этом движущаяся жидкость заряжается отрицательно, а на внутренней поверхности трубопровода образуются положительные заряды. Степень поляризации значительно возрастает на измерительном участке 11 трубы 1, который выполнен из полимерного материала с высокой трибостатической способностью и внутренним переменным сечением, имеющим форму последовательно соединенных сужающихся и расширяющихся конусов. В качестве такого материала может быть использован политетрофтороэтилен, нейлон и другие полимеры. Образующиеся положительные заряды нейтрализуют некоторые отрицательные заряды жидкости в соответствии с законом Кулона, что значительно снижает степень поляризации движущейся жидкости. Для нейтрализации положительных зарядов измерительный участок 11 трубы 1 снабжен заземленными металлическими кольцами 12. Заряды положительного знака внутренней поверхности измерительного участка 11 трубы 1 "стекают" сначала на металлические кольца 12, а затем на землю. In the presence of a fluid flow in the pipeline, a moving fluid with a speed V creates a potential difference due to the triboelectric effect. In this case, the moving fluid is negatively charged, and positive charges are formed on the inner surface of the pipeline. The degree of polarization increases significantly in the measuring section 11 of the pipe 1, which is made of a polymer material with high tribostatic ability and an internal variable cross-section, having the form of series-connected tapering and expanding cones. As such a material can be used polytetrafluoroethylene, nylon and other polymers. The resulting positive charges neutralize some of the negative charges of the liquid in accordance with the Coulomb law, which significantly reduces the degree of polarization of the moving fluid. To neutralize the positive charges, the measuring section 11 of the pipe 1 is equipped with grounded metal rings 12. The positive sign charges of the inner surface of the measuring section 11 of the pipe 1 first "drain" onto the metal rings 12, and then to the ground.

Движущаяся жидкость представляет собой систему движущихся отрицательных зарядов и является током (конвективным), вокруг которого возникает магнитное поле. Это поле, взаимодействуя с постоянным магнитным полем возбуждения, искажает его. Последнее обстоятельство приводит к изменению сопротивления магнитодиодов в зависимости от расхода контролируемой жидкости и температуры внешней среды или потока жидкости, мост разбалансируется. A moving fluid is a system of moving negative charges and is a current (convective) around which a magnetic field arises. This field, interacting with a constant magnetic field of the excitation, distorts it. The latter circumstance leads to a change in the resistance of the magnetodiodes depending on the flow rate of the controlled fluid and the temperature of the environment or fluid flow, the bridge will be unbalanced.

Так как при наличии расхода жидкости магнитодиоды 4 и 6, включенные в верхние плечи моста, находятся в идентичных магнитных условиях, а магнитодиоды 5 и 7, включенные в нижние плечи моста, находятся в других идентичных магнитных условиях, то их температурные коэффициенты, соответственно, также будут равны, а следовательно, их чувствительность к изменению температуры одинакова. Следовательно, погрешность от влияния температуры внешней среды или потока электропроводящей жидкости компенсируется. Since, in the presence of fluid flow, the magnetodiodes 4 and 6 included in the upper arms of the bridge are in identical magnetic conditions, and the magnetodiodes 5 and 7 included in the lower arms of the bridge are in other identical magnetic conditions, their temperature coefficients, respectively, also will be equal, and therefore, their sensitivity to temperature changes is the same. Therefore, the error from the influence of the temperature of the external environment or the flow of conductive fluid is compensated.

Изменение сопротивления магнитодиодов зависит только от расхода контролируемой жидкости. У магнитодиодов первой пары сопротивление одного магнитодиода увеличивается, другого - уменьшается, во второй паре - наоборот, что приводит к неравенству величин сопротивлений (Р₄≠Р₅≠Р₆≠Р₇) магнитодиодов с соответствующим увеличением чувствительности. Сигнал в виде напряжения разбаланса с выхода моста, определяемый изменением сопротивления магнитодиодов, однозначно зависит от расхода жидкости, усиливается усилителем 9 и подается на регистрирующий прибор 10.The change in the resistance of the magnetodiodes depends only on the flow rate of the controlled fluid. In the magnetodiodes of the first pair, the resistance of one magnetodiode increases, the other decreases, in the second pair, on the contrary, which leads to an inequality in the resistance values (P ₄ ≠ P ₅ ≠ P ₆ ≠ P ₇ ) of the magnetodiodes with a corresponding increase in sensitivity. The signal in the form of the unbalance voltage from the bridge output, determined by the change in the resistance of the magnetodiodes, uniquely depends on the fluid flow rate, is amplified by an amplifier 9, and fed to a recording device 10.

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом обеспечивает повышение точности и чувствительности к малым расходам жидкостей. Это достигается тем, что измерительный участок трубы, размещенный между двумя полюсными наконечниками магнитной системы, выполнен из полимерного материала с высокой трибостатической способностью и внутренним переменным сечением, имеющим форму последовательно соединенных сужающихся и расширяющихся конусов, и снабжен заземленными металлическими кольцами. Thus, the proposed device in comparison with the prototype provides increased accuracy and sensitivity to low flow rates of liquids. This is achieved by the fact that the measuring section of the pipe, placed between the two pole pieces of the magnetic system, is made of a polymer material with high tribostatic ability and an internal variable cross-section, having the form of tapering and expanding cones connected in series, and equipped with grounded metal rings.

Claims

A device for measuring the flow rate of electrically conductive liquids with a constant field of excitation, based on measuring the degree of distortion of the main magnetic field by the flow of a controlled fluid, containing a pipe section located between two pole pieces of the magnetic system, two pairs of magnetically sensitive elements located symmetrically at the edges of the first and second pole pieces and included in four adjacent shoulders of a balanced four-arm bridge, a bridge power supply and a recording device The fact is that the measuring section of the pipe, located between the two pole pieces of the magnetic system, is made of a polymer material with high tribostatic ability and an internal variable cross-section, having the form of tapering and expanding cones connected in series, and equipped with grounded metal rings.