RU2762946C1 - Ball-type flow meter for electrically conductive liquid - Google Patents
Ball-type flow meter for electrically conductive liquid Download PDFInfo
- Publication number
- RU2762946C1 RU2762946C1 RU2020142615A RU2020142615A RU2762946C1 RU 2762946 C1 RU2762946 C1 RU 2762946C1 RU 2020142615 A RU2020142615 A RU 2020142615A RU 2020142615 A RU2020142615 A RU 2020142615A RU 2762946 C1 RU2762946 C1 RU 2762946C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ball
- liquid
- electrodes
- annular channel
- electrically conductive
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
- G01F1/05—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в расходометрии любых электропроводных жидкостей, например, воды, кислот, щелочей и их водных растворов, растворов солей в воде в химической, фармацевтической, пищевой промышленности, в электро- и теплоэнергетике, в составе счетчиков количества теплоты, в жилищно-коммунальном хозяйстве для учета потребления холодной и горячей воды.The invention relates to measuring equipment and can be used in flow metering of any electrically conductive liquids, for example, water, acids, alkalis and their aqueous solutions, salt solutions in water in the chemical, pharmaceutical, food industries, in electrical and heat power engineering, as part of heat meters, in housing and communal services for accounting of consumption of cold and hot water.
Все известные варианты конструкций шариковых расходомеров объединяет, во-первых, использование тангенциального или винтового потоконаправляющего аппарата и шара, изготовленного из ферромагнитного материала либо диэлектрика, имеющего возможность вращаться в кольцевом канале, во-вторых, применение того или иного способа преобразования угловой скорости вращения шара в частоту выходного импульсного напряжения.All known design options for ball flow meters are united, firstly, by the use of a tangential or screw flow-guiding apparatus and a ball made of a ferromagnetic material or dielectric capable of rotating in an annular channel, and secondly, the use of one or another method of converting the angular velocity of rotation of the ball into the frequency of the output pulse voltage.
Технические и эксплуатационные характеристики шариковых расходомеров должны соответствовать «Общим техническим условиям» [Расходомеры тахометрические шариковые ГСП, ГОСТ 14012-76, издательство стандартов, 1984 г.].Technical and operational characteristics of ball flowmeters must comply with the "General technical conditions" [Tachometric ball flowmeters GSP, GOST 14012-76, publishing house of standards, 1984].
Известны многочисленные варианты конструкций шариковых первичных преобразователей расхода жидкостей, в которых используется магнитоиндукционный датчик частоты вращения шарика, выполненного из ферромагнитного материала [Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Справочник. 4-е изд. Л. Машиностроение, 1989 - 297 с.].There are numerous design options for ball primary transducers of the flow rate of liquids, in which a magnetic induction sensor of the rotational speed of a ball made of ferromagnetic material is used [Kremlin P.P. Flow meters and quantity counters. Directory. 4th ed. L. Mechanical engineering, 1989 - 297 p.].
Известен шариковой преобразователь расхода [патент RU 2253843 С1, кл. G01F 1/06, опубл. 10.06.2005 г.], состоящий из корпуса немагнитного материала, ограничительной втулки, раскрытой кольцевой полости с шаром и узла съема сигнала. Раскрытая кольцевая полость образована внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью ограничивающей втулки. Корпус преобразователя со стороны раскрытия полости с размещенным в ней шаром имеет кольцевое углубление, стабилизирующее вращение вихревого потока.Known ball flow transducer [patent RU 2253843 C1, class.
Известен шариковый расходомер [а.с. SU 1591618 А1, кл. G01F 1/06, G01F 1/10, опубл. 27.05.1988 г.], состоящий из корпуса с входными и выходными патрубками. Внутри корпуса коаксиально расположены стержень-вытеснитель и ограничивающий кольцевой элемент, который образует в корпусе непроточную полость с размещенным в ней шаром. Последняя сообщена с проточной частью кольцевой щелью. В зоне размещения шара на корпусе расположен узел съема сигнала. Для приведения во вращение шара служит струенаправляющее устройство, выполненное в виде тангенциальных каналов, расположенных в кольцевом выступе, размещенном на торце ограничительного кольцевого элемента со стороны проточной части корпуса.Known ball flow meter [and.with. SU 1591618 A1,
В известных конструкциях шариковых преобразователей расхода жидкости в импульсный электрический выходной сигнал имеются недостатки, обусловленные использованием ферромагнитного шарика и магнитоиндукционного датчика:In the known designs of ball transducers of liquid flow rate into a pulsed electrical output signal, there are disadvantages due to the use of a ferromagnetic ball and a magnetic induction sensor:
1. При прохождении ферромагнитного шарика рядом с магнитопроводом магнитоиндукционного датчика происходит его примагничивание (притягивание) и при небольшом расходе жидкости - его прилипание, что обуславливает нелинейность статической характеристики и значительный порог чувствительности в области низких расходов.1. When the ferromagnetic ball passes near the magnetic circuit of the magnetic induction sensor, it becomes magnetized (attracted) and at a low flow rate of liquid - its adhesion, which causes nonlinearity of the static characteristics and a significant threshold of sensitivity in the region of low flow rates.
2. При горизонтальном положении преобразователя, поскольку ферромагнитный шарик относительно веса вытесненной жидкости тяжелый, то есть обладает отрицательной плавучестью, наблюдается непостоянство скорости вращения шарика в пределах одного оборота, которое нарастает при уменьшении скорости вращения, что в итоге еще больше искажает статическую характеристику первичного преобразователя.2. With the horizontal position of the transducer, since the ferromagnetic ball is heavy relative to the weight of the displaced liquid, that is, it has negative buoyancy, there is an inconsistency in the rotation speed of the ball within one revolution, which increases with decreasing rotation speed, which ultimately distorts the static characteristics of the primary transducer.
Использование тяжелого ферромагнитного шарика и применение магнитоиндукционного способа формирования выходного импульсного сигнала делают невозможной работу преобразователя в горизонтальном положении и резко снижают динамический диапазон измерения расхода жидкости QMAX/QMIN и увеличивают погрешность измерения расхода жидкости Q [м3/ч]. В частности, серийно выпускаемые шариковые первичные преобразователи «Шторм-8А» и «Шторм-32М», используемые в атомной энергетике и внесенные в Государственный реестр средств измерений под №5706-08, имеют узкий рабочий диапазон (4÷6) и весьма большую погрешность измерения (1,5-2,5%), согласно ТУ 4213-865-00225555-2007.The use of a heavy ferromagnetic ball and the use of a magnetic induction method for generating an output pulse signal make it impossible to operate the transducer in a horizontal position and sharply reduce the dynamic range of measurement of the liquid flow rate Q MAX / Q MIN and increase the measurement error of the liquid flow rate Q [m 3 / h]. In particular, serially produced ball primary converters "Shtorm-8A" and "Shtorm-32M", used in nuclear power and entered in the State Register of Measuring Instruments under No. 5706-08, have a narrow operating range (4 ÷ 6) and a very large error measurements (1.5-2.5%), according to TU 4213-865-00225555-2007.
Известен электронно-оптический шариковый первичный преобразователь расхода жидкости [патент RU 2548055 С1, кл. G01F 1/06, опубл. 10.04.2015 г.] в двух вариантах конструкции, состоящий из корпуса с кольцевым каналом, в котором свободно может вращаться шарик, струенаправляющего аппарата и узла формирования выходного электрического сигнала, отличающийся тем, что для формирования выходного электрического (частотного или число-импульсного) сигнала используется светоизлучатель и фотоприемник, связанные между собой прямой оптической и обратной положительной электронными связями. Но этот тип шарикового первичного преобразователя расхода жидкости пригоден для измерения расхода только прозрачных жидкостей.Known electro-optical ball primary transducer of liquid flow [patent RU 2548055 C1, class.
Известен шариковый первичный преобразователь расхода электропроводной жидкости [патент RU №2471154 С1, МПК G01F 1/05, 27.12.2012 г.], состоящий из цилиндрического корпуса с кольцевым каналом, в котором свободно может вращаться шарик, неподвижного струенаправляющего аппарата и узла съема электрического сигнала, отличающийся тем, что шарик выполнен из диэлектрического материала с нулевой плавучестью в жидкости, а в области кольцевого канала, перпендикулярно траектории качения шарика, через проходные изоляторы и заподлицо с поверхностью канала расположены два электрода, благодаря чему преобразователь работоспособен при низких расходах жидкости и в горизонтальном положении корпуса.Known ball primary transducer of the flow rate of an electrically conductive liquid [patent RU No. 2471154 C1, IPC
Наиболее близким по конструкции и достигаемому техническому результату к заявленному шариковому расходомеру электропроводной жидкости (далее - ШРЭЖ), является электрошариковый первичный преобразователь расхода электропроводной жидкости [патент RU 2566428 С1, кл. G01F 1/06, опубл. 27.10.2015 г.], состоящий из корпуса, выполненного из диэлектрического материала, струенаправляющего аппарата, шарика, изготовленного из диэлектрика с нулевой плавучестью в жидкости, который может вращаться в кольцевом канале, и трех электродов, установленных в кольцевом канале в плоскости качения шарика и заподлицо с его внутренней поверхностью, из которых средний электрод подключен к выходу операционного усилителя, а два других электрода соединены с инвертирующим и неинвертирующим входами того же операционного усилителя, чтобы электрические сопротивления жидкости между средним и двумя другими электродами вместе с двумя вспомогательными резисторами образовывали отрицательную и положительную обратные связи, охватывающие операционный усилитель и управляемые вращающимся шариком. Эта конструкция преобразователя обеспечивает независимость амплитуды и крутизны фронтов выходных прямоугольных импульсов от вида и физических параметров электропроводной жидкости, положения первичного преобразователя в пространстве. Но этот первичный преобразователь расхода электропроводной жидкости, рассматриваемый как прототип заявленного ШРЭЖ, имеет недостаток, проявляющийся при больших расходах жидкости и снижающий максимально возможный измеряемый расход жидкости.The closest in design and the achieved technical result to the declared ball flowmeter of an electrically conductive liquid (hereinafter referred to as SHREZH) is an electroball primary transducer of the flow rate of an electrically conductive liquid [patent RU 2566428 C1, cl.
Если исключить «опрокидывание» выходных импульсов и, затем, их «слипание», то можно увеличить динамический диапазон функции преобразования D=QMAX/QMIN. Для этого необходимо устранить недостаток прототипа - универсального электрошарикового первичного преобразователя расхода электропроводной жидкости.If you exclude the "rollover" of the output pulses and, then, their "sticking", then you can increase the dynamic range of the conversion function D = Q MAX / Q MIN. To do this, it is necessary to eliminate the disadvantage of the prototype - a universal electro-ball primary transducer of the flow rate of an electrically conductive liquid.
Этот недостаток можно пояснить с помощью рисунка Фиг. 1, на котором Эа, Эb и Эс - электроды; +U1 и +U2 потенциалы на электродах Эа и Эb относительно электрода Эс (общей шины электронной части расходомера), когда на входе операционного усилителя напряжение положительно.This disadvantage can be explained with the help of the drawing of FIG. 1, on which Ea, Eb and Es are electrodes; + U 1 and + U 2 potentials on the electrodes Ea and Eb relative to the electrode ES (common bus of the electronic part of the flow meter) when the voltage at the input of the operational amplifier is positive.
На данном рисунке - вектор линейной скорости движения жидкости относительно неподвижных электродов Эа, Эb и Эс, которая задается только струенаправляющим аппаратом и зависит от величины расхода жидкости.In this figure is the vector of the linear velocity of the liquid relative to the fixed electrodes Ea, Eb and Es, which is set only by the jet-directing device and depends on the value of the liquid flow rate.
Из рисунка Фиг. 1 следует, что движущаяся относительно неподвижных электродов Эа, Эb и Эс жидкость влияет на среднюю скорость дрейфа положительных и отрицательных ионов: между электродами Эа и Эс скорость движения положительных ионов увеличивается на величину скорости движения жидкости V, скорость движения отрицательных ионов настолько же уменьшается; между электродами Эb и Эс движущаяся жидкость со скоростью V увеличивает скорость перемещения отрицательных ионов и настолько же снижает скорость движения положительных ионов.From the drawing FIG. 1 it follows that the liquid moving relative to the fixed electrodes Ea, Eb and Es affects the average drift speed of positive and negative ions: between the electrodes Ea and Es, the speed of movement of positive ions increases by the value of the speed of movement of the liquid V, the speed of movement of negative ions also decreases; Between the electrodes Eb and ES, a moving liquid with a speed V increases the speed of movement of negative ions and also decreases the speed of movement of positive ions.
Зависимость электрических потенциалов U1 и U2 не только от положения шарика относительно электродов Эа, Эb и Эс и, значит, дифференциального напряжения U1 - U2 на входе операционного усилителя, но и от частоты вращения шарика (расхода жидкости) свидетельствует о том, что установленные после сборки расходомера пороги срабатывания двухпорогового компаратора на операционном усилителе с положительной и отрицательной обратными связями будут изменяться при изменении расхода жидкости, и при достаточно большом расходе оба порога срабатывания компаратора становятся однополярными. При этом на выходе расходомера импульсное выходное напряжение исчезает, оно становится постоянным положительным или отрицательным, то есть преобразователь расхода жидкости перестает функционировать.The dependence of the electrical potentials U 1 and U 2 not only on the position of the ball relative to the electrodes Ea, Eb and Es and, therefore, the differential voltage U 1 - U 2 at the input of the operational amplifier, but also on the ball rotation frequency (fluid flow rate) indicates that that the thresholds of operation of the two-threshold comparator on an operational amplifier with positive and negative feedback set after assembly of the flowmeter will change with a change in the liquid flow rate, and at a sufficiently high flow rate both thresholds of the comparator operation become unipolar. In this case, the pulsed output voltage disappears at the flow meter output, it becomes constant positive or negative, that is, the liquid flow transducer ceases to function.
Рассмотрим этот недостаток с помощью теории электропроводности жидкости. Из теории электрической проводимости жидкостей [Яворский Б.М. и Детлар А.А. Справочник по физике. - М. Наука, 1985-512 с., §III.9.3. Электрическая проводимость жидкостей, стр. 195] известно, что плотность тока i в произвольном сечении электропроводной жидкости равна сумме плотностей токов положительных и отрицательных ионов i=i++i-, причем, и где q+ и q- - электрические заряды положительных и отрицательных ионов жидкости; и - концентрации положительных и отрицательных ионов в жидкости; V+ и V- - средние скорости упорядоченного движения (дрейфа) положительных и отрицательных ионов.Let us consider this disadvantage using the theory of electrical conductivity of a liquid. From the theory of electrical conductivity of liquids [Yavorskiy B.M. and Detlar A.A. Physics Handbook. - M. Nauka, 1985-512 p., §III.9.3. Electrical conductivity of liquids, page 195] it is known that the current density i in an arbitrary cross section of an electrically conductive liquid is equal to the sum of the current densities of positive and negative ions i = i + + i - , moreover, and where q + and q - are the electric charges of positive and negative ions of the liquid; and - concentration of positive and negative ions in the liquid; V + and V - are the average velocities of the ordered movement (drift) of positive and negative ions.
Учитывая изложенное в отношении теории электрической проводимости жидкостей, получаемTaking into account the above in relation to the theory of electrical conductivity of liquids, we obtain
Если площадь жидкости между электродами S, через которую течет электрический ток, неизменна, то ток между электродамиIf the area of the liquid between the electrodes S, through which the electric current flows, is unchanged, then the current between the electrodes
В универсальном электрошариковом первичном преобразователе расхода электропроводной жидкости вращающийся с угловой скоростью ω в кольцевом канале шарик, выполненный из диэлектрического материала, модулирует реальную площадь жидкости между электродами с частотой его вращения, поэтому токIn a universal electro-ball primary transducer of the flow rate of an electrically conductive liquid, a ball made of a dielectric material rotating with an angular velocity ω in an annular channel modulates the real area of the liquid between the electrodes at the frequency of its rotation, therefore, the current
где S1(ω) и S2(ω) - нелинейные функции, характеризующие изменение площадей жидкости между электродами, через которые протекают электрические токи, при вращении диэлектрического шарика в кольцевом канале расходомера.where S 1 (ω) and S 2 (ω) are nonlinear functions characterizing the change in the areas of the liquid between the electrodes, through which electric currents flow, when the dielectric ball rotates in the annular channel of the flow meter.
Изменение величины электрического тока между электродами вызывает изменение разностей потенциалов между электродами с частотой *, которые в известной конструкции расходомера, названного прототипом, преобразуются с помощью операционного усилителя в выходные прямоугольные импульсы.A change in the magnitude of the electric current between the electrodes causes a change in the potential differences between the electrodes with a frequency *, which in the known design of the flow meter, called the prototype, are converted by an operational amplifier into output rectangular pulses.
Отмеченный выше недостаток прототипа, уменьшающий максимально возможный измеряемый расход жидкости и, следовательно, снижающий динамический диапазон измерения расхода, следует из последнего выражения для тока между электродами: ток между электродами и, значит, разность потенциалов между ними зависит не только от положения шарика в кольцевом канале относительно электродов Эа, Эb и Эс, но и от скоростей движения ионов V+ и V- между электродами, которые тоже зависят от скорости вращения шарика и жидкости.The disadvantage of the prototype noted above, which reduces the maximum possible measurable liquid flow rate and, therefore, reduces the dynamic range of flow measurement, follows from the last expression for the current between the electrodes: the current between the electrodes and, therefore, the potential difference between them depends not only on the position of the ball in the annular channel relative to the electrodes Ea, Eb and Es, but also on the velocities of the ions V + and V - between the electrodes, which also depend on the speed of rotation of the ball and liquid.
Данный недостаток расходомеров электропроводной жидкости с тремя электродами в кольцевом канале подтверждался при натуральных испытаниях четырех опытных образцов расходомеров (Ду-15, Ду-25, Ду-32 и Ду-40) на аттестованном стенде УПСЖМ-150 (заводской номер 084) в региональном Центре стандартизации и метрологии, сначала в виде опрокидывания скважности следования выходных импульсов с низких значений (0<S<<0,5) до высоких (0,5<<S<1), затем их исчезновением (S>1).This disadvantage of flowmeters of an electrically conductive liquid with three electrodes in an annular channel was confirmed during natural tests of four prototypes of flow meters (Du-15, Du-25, Du-32 and Du-40) at the certified stand UPSZHM-150 (serial number 084) in the regional Center standardization and metrology, first in the form of overturning the duty cycle of the output pulses from low values (0 <S << 0.5) to high (0.5 << S <1), then their disappearance (S> 1).
Второй недостаток универсального электрошарикового первичного преобразователя электропроводной жидкости, являющегося прототипом заявленного расходомера, заключается в том, что, во-первых, для электропитания электронной части требуется два источника стабилизированного напряжения (UП1 и UП2), включенных последовательно и со средней точкой. Во-вторых, средний электрод подключен к выходу операционного усилителя и в процессе эксплуатации расходомера на нем напряжение импульсно меняется с размахом, почти достигающим двойного напряжения питания (2UП).The second disadvantage of a universal electrically-ball primary transducer of an electrically conductive liquid, which is a prototype of the claimed flow meter, is that, firstly, for the power supply of the electronic part, two stabilized voltage sources (U P1 and U P2 ) are required, connected in series and with a midpoint. Secondly, the middle electrode is connected to the output of the operational amplifier and during the operation of the flow meter, the voltage on it changes impulsively with a swing almost reaching double the supply voltage (2U P ).
Так как интегральный операционный усилитель имеет коэффициент усиления по напряжению, как минимум, многие десятки тысяч, напряжение на среднем электроде может быть значительно меньше, что снижает вероятность возникновения на нем нежелательных и разрушительных электрохимических процессов, тем более, если расходомер работает с хорошо электропроводной и агрессивной жидкостью.Since the integrated operational amplifier has a voltage gain of at least many tens of thousands, the voltage at the middle electrode can be much less, which reduces the likelihood of undesirable and destructive electrochemical processes on it, especially if the flow meter operates with a well-conductive and corrosive liquid.
Третьим недостатком является использование двухпорогового регенеративного компаратора, реализованного на операционном усилителе с положительной и отрицательной обратными связями. Значит, после сборки расходомера в реальном производстве, перед предпродажной проверкой в Центре сертификации и метрологии необходимо тщательно установить значения двух порогов срабатывания компаратора, принимая во внимание их зависимость от напряжений электропитания (UП1 и UП2). Все это повышает требования к источнику электропитания и, в целом, снижает рентабельность серийного производства расходомеров, приводит к увеличению стоимости изделия и снижает его конкурентоспособность на рынке приборов учета расхода жидкости.The third drawback is the use of a two-threshold regenerative comparator, implemented on an operational amplifier with positive and negative feedback. This means that after assembling the flowmeter in real production, before the pre-sale check at the Center for Certification and Metrology, it is necessary to carefully set the values of the two comparator response thresholds, taking into account their dependence on the power supply voltages (U P1 and U P2 ). All this increases the requirements for the power supply and, in general, reduces the profitability of mass production of flow meters, leads to an increase in the cost of the product and reduces its competitiveness in the market of liquid flow meters.
Задачей изобретения является расширение областей использования шарикового расходомера электропроводной жидкости за счет возможности измерения расхода жидкости в очень широком диапазоне и при минимально возможной погрешности измерения (особенно при больших расходах), снижение потребляемой мощности от источника электропитания, чтобы можно было использовать автономное электропитание расходомера от химических элементов, упрощение схемы электронной части расходомера и процедуры ее настройки в требуемый режим работы, что позволяет снизить себестоимость шарикового расходомера в условиях его серийного производства, наконец, возможность использования трехпроводной линии связи расходомера со вторичным электронным преобразователем.The objective of the invention is to expand the areas of use of a ball flowmeter of an electrically conductive liquid due to the possibility of measuring the flow rate of a liquid in a very wide range and with the smallest possible measurement error (especially at high flow rates), reducing the power consumption from the power supply, so that an autonomous power supply of the flowmeter from chemical elements can be used , simplification of the circuit of the electronic part of the flow meter and the procedure for adjusting it to the required operating mode, which makes it possible to reduce the cost of the ball flow meter in the conditions of its serial production, and finally, the possibility of using a three-wire communication line of the flow meter with a secondary electronic converter.
Технический результат - значительное увеличение динамического диапазона измерения расхода жидкости независимо от вида и параметров жидкости, полное подавление влияния величины расхода жидкости на выбранный режим работы электронной части расходомера и снижение погрешности преобразования расхода жидкости в частоту следования выходных импульсов (особенно при больших расходах), использование одного источника электропитания, и почти в два раза понижение потребляемой мощности от него, применение в электронной схеме однопорогового компаратора, использование трехпроводной линии связи расходомера со вторичным электронным преобразователем.The technical result is a significant increase in the dynamic range of measuring the liquid flow rate regardless of the type and parameters of the liquid, complete suppression of the influence of the liquid flow rate on the selected operating mode of the electronic part of the flow meter and reducing the error in converting the liquid flow rate into the output pulse repetition rate (especially at high flow rates), the use of one power supply, and almost half the power consumption from it, the use of a one-threshold comparator in the electronic circuit, the use of a three-wire communication line of the flow meter with a secondary electronic converter.
Поставленная задача решается и технический результат достигается шариковым расходомером электропроводной жидкости, состоящим из цилиндрического корпуса, соосно вставленного в него винтообразного струенаправляющего аппарата со ступицей, кольцевого канала между ступицей и внутренней поверхностью корпуса, шара, который может вращаться в кольцевом канале и выполнен из диэлектрического материала, имеющего нулевую плавучесть в жидкости, электродов, размещенных заподлицо в кольцевом канале на внутренней поверхности корпуса, в котором в отличие от прототипа установлены четыре электрода в вершинах квадрата, два из которых, находящихся вдоль направления движения жидкости с шаром, соединены с общей шиной электропитания, два другие соединены со входами однопорогового компаратора на операционном усилителе.The problem is solved and the technical result is achieved by a ball flowmeter of an electrically conductive liquid, consisting of a cylindrical body, coaxially inserted into it a helical jet guide apparatus with a hub, an annular channel between the hub and the inner surface of the body, a ball that can rotate in an annular channel and is made of dielectric material, having zero buoyancy in a liquid, electrodes placed flush in an annular channel on the inner surface of the body, in which, unlike the prototype, four electrodes are installed at the tops of a square, two of which, located along the direction of movement of the liquid with a ball, are connected to a common power bus, two others are connected to the inputs of a single threshold comparator on the operational amplifier.
Сущность изобретения поясняется чертежами Фиг. 2, Фиг. 3 и Фиг. 4.The essence of the invention is illustrated by drawings Fig. 2, Fig. 3 and FIG. 4.
На Фиг. 2 изображена конструкция гидромеханической части ШРЭЖ.FIG. 2 shows the design of the hydromechanical part of the SHREZh.
На Фиг. 3 представлена электрическая схема узла съема сигнала с электродов Э1, Э2, Э3 и Э4 и нормирования выходного импульсного напряжения.FIG. 3 shows an electrical diagram of the unit for picking up a signal from electrodes E1, E2, E3 and E4 and normalizing the output pulse voltage.
На Фиг. 4 показаны диаграммы напряжений U1(ϕ) и U2(ϕ) на неинвертирующем и инвертирующем входах операционного усилителя DA1 и на электродах Э1 и Э2 соответственно.FIG. 4 shows the diagrams of voltages U 1 (ϕ) and U 2 (ϕ) at the non-inverting and inverting inputs of the operational amplifier DA1 and at the electrodes A1 and A2, respectively.
Гидромеханическая часть ШРЭЖ, как показано на Фиг. 2, состоит из цилиндрического корпуса 1, изготовленного из диэлектрического материала (стекла, пластмассы или композитного материала), вставленного в него струенапрвляющего аппарата 2 со ступицей 3, шара 4, выполненного из диэлектрика и имеющего нулевую плавучесть в жидкости, который свободно может вращаться в кольцевом канале, возникающем между внутренней поверхностью корпуса 1 и внешней поверхностью ступицы 3, и четырех электродов Э1, Э2, Э3 и Э4, размещенных заподлицо с внутренней поверхностью корпуса 1 симметрично по отношению к траектории качения шара 4.The hydromechanical part of the SHREZh, as shown in Fig. 2, consists of a
Неподвижный струенаправляющий аппарат 2, представляющий собой несколько лопастей, имеющих такую конфигурацию, чтобы преобразование входного линейного потока жидкости во вращающийся поток осуществлялось без его срывов и завихрений.The stationary stream-directing
Расстояние между электродами Э1 и Э2, Э3 и Э4, Э1 и Э4, Э2 и Э3 должно быть одинаковым, и они должны располагаться на корпусе 1 так, чтобы траектория качения шара 4 делила расстояния между электродами Э2 и Э3, Э1 и Э4 на две равные части.The distance between the electrodes E1 and E2, E3 and E4, E1 and E4, E2 and E3 must be the same, and they must be located on the
Как показано на Фиг. 2, шар 4 вращается по отношению ко входу расходомера по часовой стрелке, проходя сначала под электродами Э2 и Э3, затем под электродами Э1 и Э4.As shown in FIG. 2, the
Электрическая часть ШРЭЖ, как показано на Фиг. 3, состоит из четырех электродов Э1, Э2, Э3 и Э4, трех резисторов R1, R2 и R3, источника стабильного напряжения питания UП, интегрального операционного усилителя (ОУ) DA1, функционирующего в режиме однопорогового компаратора.The electrical part of the SHREZH, as shown in FIG. 3, consists of four electrodes E1, E2, E3 and E4, three resistors R1, R2 and R3, a stable supply voltage U P , an integrated operational amplifier (OA) DA1, operating in the mode of a one-threshold comparator.
Сопротивления электропроводной жидкости RB1 и RB2 между электродами Э1 и Э4, Э1 и Э3, Э2 и Э3, Э2 и Э4 с резисторами R1, R2 и R3 включены в мостовую схему. Электропитание моста осуществляется стабилизированным напряжением UП. Выходное дифференциальное напряжение этого резистивного моста между электродами Э1 и Э2 с целью нормирования выходного напряжения UВЫХ ШРЭЖ подключены соответственно к неинвертирующему и инвертирующему входам ОУ DA1.Resistances of an electrically conductive liquid R B1 and R B2 between electrodes E1 and E4, E1 and E3, E2 and E3, E2 and E4 with resistors R1, R2 and R3 are included in the bridge circuit. The bridge is powered by a stabilized voltage U P. The output differential voltage of resistor bridge between the electrodes E1 and E2 with the purpose of normalization of the output voltage U OUT SHREZH connected respectively to the noninverting and inverting inputs of op amp DA1.
Операционный усилитель DA1 подключен к однополярному источнику напряжения питания UП, поэтому при входном дифференциальном напряжении UВХ.ДИФФ=U1-U2>UП/kУ, где kУ - коэффициент усиления по напряжению используемого типа интегрального ОУ, выходное напряжение расходомера UВЫХ будет максимально возможным UВЫХ.МАКС. Так как kУ промышленно выпускаемых интегральных ОУ очень большой (многие десятки и сотни тысяч), то сигнал, снимаемый между электродами Э1 и Э2, может иметь милливольтный уровень. Обычно максимально возможное выходное напряжение интегрального ОУ положительной полярности UВЫХ.МАКС.=UП-0/6 В. Если входное напряжение ОУ DA1 UВХ.МАКС.=U1-U2<0, то выходное напряжение расходомера при однополярном электропитании UВЫХ.<0,6 В, то есть очень низкое.The operational amplifier DA1 is connected to a unipolar supply voltage U P , therefore, with an input differential voltage U IN . DIFF = U 1 -U 2> U n / k Y k where Y - voltage gain of an integral type used op amp output voltage U OUT flowmeter will be the maximum possible VYH.MAKS U. Since k U of commercially available integrated op-amp is very high (many tens or hundreds of thousands), the signal taken between the electrodes E1 and E2, may have millivolt level. Typically, the maximum possible output voltage of an integral op-amp of positive polarity is U OUT.MAX. = U P -0/6 V. If the input voltage of the op-amp DA1 U IN.MAX. = U 1 -U 2 <0, then the output voltage of the flow meter with a unipolar power supply U OUT. <0.6 V, that is, very low.
Переменный резистор R3 необходим для настройки схемы в исходное состояние, когда шар 4 находится неподвижно в противоположной электродам зоне кольцевого канала, с учетом реального неравенства промышленно выпускаемых сопротивлений резисторов R1 и R2 и сдвига нуля выходного напряжения ОУ (при U1 - U2, UВЫХ ≠ 0).The variable resistor R3 is necessary to adjust the circuit to its initial state, when the
Сопротивления резисторов R1=R2 рассчитывается, исходя из желаемого значения тока I0, напряжений U1=U2 и известного сопротивления жидкости RB1 и RB2 между электродами Э1 или Э2 относительно общей шины схемы (-UП), когда она находится в исходном состоянии.The resistances of the resistors R1 = R2 are calculated based on the desired value of the current I 0 , the voltages U 1 = U 2 and the known resistance of the liquid R B1 and R B2 between the electrodes E1 or E2 relative to the common bus of the circuit (-U P ), when it is in the initial condition.
После сборки ШРЭЖ и перед его предпродажной поверкой и опломбирования необходимо установить требуемый режим работы электронной схемы. С этой целью с помощью подстроенного резистора R3 необходимо обеспечить такой разбаланс мостовой схемы (режим работы), чтобы выходное напряжение ОУ DA1 имело требуемую величину. Например, если согласно утвержденным техническим условиям на данное средство измерения расхода жидкости требуется обеспечить состояние UВЫХ - низкое напряжение относительно общей шины (для интегрального ОУ с однополярным питанием оно не более 0,6 В), то с помощью резистора R1 необходимо установить превышение напряжения U2 на инвертирующем входе ОУ DA1 над напряжением U1 в несколько (2..5) милливольт.After assembly of SHREZh and before its pre-sale verification and sealing, it is necessary to set the required operating mode of the electronic circuit. To this end, using the adjusted resistor R3, it is necessary to ensure such an imbalance in the bridge circuit (operating mode) so that the output voltage of the op-amp DA1 has the required value. For example, if, according to the approved technical specifications for this liquid flow meter, it is required to ensure the state of U OUT - low voltage relative to the common bus (for an integrated op-amp with unipolar power supply it is not more than 0.6 V), then using the resistor R1 it is necessary to set the overvoltage U 2 at the inverting input of the op-amp DA1 over the voltage U 1 in several (2..5) millivolts.
В реальных условиях эксплуатации ШРЭЖ при отсутствии расхода жидкости шар 4 может остановиться между электродами Э1 и Э4, тогда сопротивление жидкости между ними будет большим, напряжение U1 на неинвертирующем входе ОУ DA1 превысит напряжение U2, дифференциальное положительное напряжение на входе ОУ обеспечит высокое постоянное напряжение на выходе схемы UВЬ1Х=UП - 0,6 В.In real operating conditions of SHREZh, in the absence of liquid flow,
Таким образом, в статическом состоянии ШРЭЖ выходное напряжение UВЫХ может быть высоким или низким, но не импульсным.Thus, in a static state SHREZH U output voltage OUT can be high or low, but not pulsed.
При вращении шара в кольцевом канале происходит модуляция сопротивлений жидкости между электродами Э1 и Э4, Э1 и Э3, Э2 и Э3, Э2 и Э4 с частотой вращения шара, значит, модулируется дифференциальное напряжение U1 - U2, и выходное напряжение будет импульсным с очень короткими фронтами благодаря очень большому коэффициенту усиления по напряжению интегральных операционных усилителей. Процесс генерации выходного импульсного напряжения UВЫХ в зависимости от напряжений U1 и U2 на неинвертирующем и инвертирующем входах ОУ DA1 и углового положения ϕ шара относительно четырех электродов Э1, Э2, Э3 и Э4 показан на Фиг. 4.When the ball rotates in the annular channel, the fluid resistances are modulated between the electrodes E1 and E4, E1 and E3, E2 and E3, E2 and E4 with the ball rotation frequency, which means that the differential voltage U 1 - U 2 is modulated, and the output voltage will be pulsed with a very short edges due to the very high voltage gain of the integrated operational amplifiers. The process of generating the output pulse voltage U OUT depending on the voltages U 1 and U 2 at the non-inverting and inverting inputs of the OA DA1 and the angular position ϕ of the ball relative to the four electrodes A1, A2, E3 and E4 is shown in FIG. 4.
Рассмотрим эффект подавления влияния вращающейся в кольцевом канале жидкости на установленный резистором переменного сопротивления R3 режим работы электронной части ШРЭЖ Фиг. 5, на котором показаны векторы токов положительных и отрицательных ионов жидкости, протекающих между электродами Э1 и Э4, Э1 и Э3, Э1 и Э2, Э2 и Э3, Э2 и Э4.Let us consider the effect of suppressing the influence of a liquid rotating in an annular channel on the operating mode of the electronic part of SHREZh set by a variable resistance resistor R3 FIG. 5, which shows the vectors of currents of positive and negative ions of the liquid flowing between the electrodes E1 and E4, E1 and E3, E1 and E2, E2 and E3, E2 and E4.
У положительных и отрицательных ионов, протекающих в жидкости между контактами Э1 и Э2 не показаны направления, потому что они с частотой пробегания шара под электродами меняют свое направление в зависимости от полярности дифференциального напряжения U1 - U2.The directions of positive and negative ions flowing in the liquid between contacts A1 and A2 are not shown, because with the frequency of the ball passing under the electrodes, they change their direction depending on the polarity of the differential voltage U 1 - U 2 .
Если шар в данный момент времени находится в зоне электродов Э1 и Э4, то дифференциальное напряжениеIf the ball at a given time is in the area of electrodes E1 and E4, then the differential voltage
где RB - сопротивление жидкости между электродами, когда шар находится далеко от них, то есть не мешает движению положительных и отрицательных ионов между этими контактами; ΔRB - абсолютное увеличение сопротивления жидкости между электродами, когда шар препятствует свободному движению ионов в жидкости; R1, R2 - сопротивления сторон моста без учета некоторого незначительного смещения подвижного контакта резистивного потенциометра R3 относительно его середины, необходимое для фиксирования требуемого начального состояния схемы.where R B is the resistance of the liquid between the electrodes when the ball is far from them, that is, it does not interfere with the movement of positive and negative ions between these contacts; ΔR B - the absolute increase in the resistance of the liquid between the electrodes when the ball prevents the free movement of ions in the liquid; R1, R2 are the resistances of the sides of the bridge without taking into account some slight displacement of the movable contact of the resistive potentiometer R3 relative to its middle, which is necessary to fix the required initial state of the circuit.
Для оценки полярности дифференциального напряжения U1 - U2 вполне приемлемо считать R1 ≈ R2=R, и дифференциальное напряжениеTo assess the polarity of the differential voltage U 1 - U 2, it is quite acceptable to consider R1 ≈ R2 = R, and the differential voltage
и на выходе ШРЭЖ выходное напряжение UВЫХ=kУ(U1 - U2), где kУ - коэффициент усиления по напряжению ОУ DA1, будет почти равно напряжению питания UП.and output SHREZH U output voltage V OUT = k (U 1 - U 2), where k U - voltage gain op amp DA1, is almost equal to the supply voltage U P.
Если шар в данный момент времени будет находиться над электродами Э2 и Э3, то напряжениеIf the ball at a given time will be above the electrodes E2 and E3, then the voltage
и выходное напряжение UВЫХ станет предельно низким.and the output voltage U OUT will be extremely low.
Очень важно, что дифференциальное напряжение на входе ОУ имеет милливольтный уровень, и ток между электродами Э1 и Э2 при реальном сопротивлении жидкости будет иметь микроамперные значения. При таких низких напряжениях и токах между электродами электрохимические процессы не возникают, и можно пренебречь влиянием движущейся жидкости на подвижность положительных и отрицательных ионов.It is very important that the differential voltage at the input of the op-amp has a millivolt level, and the current between electrodes A1 and A2 at a real resistance of the liquid will have microampere values. At such low voltages and currents between the electrodes, electrochemical processes do not occur, and the effect of a moving liquid on the mobility of positive and negative ions can be neglected.
Поскольку движущаяся жидкость отклоняет все траектории дрейфа положительных и отрицательных ионов синфазно в одном и том же направлении, увеличивая длину соответствующих участков электропроводной жидкости и, значит, их электрические сопротивления, увеличиваются синфазные напряжения U1 и U2 на электродах Э1 и Э2, но дифференциальное напряжение U1 - U2 на входе ОУ DA1 остается всегда неизменным.Since the moving liquid deflects all the trajectories of the drift of positive and negative ions in phase in the same direction, increasing the length of the corresponding sections of the electrically conductive liquid and, therefore, their electrical resistances, the in-phase voltages U 1 and U 2 on electrodes A1 and A2 increase, but the differential voltage U 1 - U 2 at the input of OA DA1 remains always unchanged.
Итак, в представленном ШРЭЖ достигается технический результат:So, in the presented SHREZh the technical result is achieved:
- значительное увеличение динамического диапазона измерения расхода электропроводной жидкости за счет увеличения максимально допустимой величины расхода, достигаемого подавлением влияния скорости движения жидкости в кольцевом канале на выбранный режим работы электронной схемы;- a significant increase in the dynamic range of measuring the flow rate of an electrically conductive liquid due to an increase in the maximum allowable flow rate achieved by suppressing the effect of the fluid velocity in the annular channel on the selected operating mode of the electronic circuit;
- использование одного источника питания и снижение потребляемой мощности электронной схемой почти в два раза;- using one power source and reducing the power consumption of the electronic circuit by almost two times;
- применение однопорогового компаратора на операционном усилителе;- the use of a one-threshold comparator on an operational amplifier;
- использование трехпроводной линии связи со вторичным электронным преобразователем.- use of a three-wire communication line with a secondary electronic converter.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020142615A RU2762946C1 (en) | 2020-12-22 | 2020-12-22 | Ball-type flow meter for electrically conductive liquid |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020142615A RU2762946C1 (en) | 2020-12-22 | 2020-12-22 | Ball-type flow meter for electrically conductive liquid |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2762946C1 true RU2762946C1 (en) | 2021-12-24 |
Family
ID=80039303
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020142615A RU2762946C1 (en) | 2020-12-22 | 2020-12-22 | Ball-type flow meter for electrically conductive liquid |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2762946C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2777291C1 (en) * | 2022-02-28 | 2022-08-02 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Ball flow meter for electrically conductive liquid |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE8217706U1 (en) * | 1982-03-08 | 1983-02-17 | Meterfabriek Schlumberger B.V., 3300 Dordrecht | DEVICE FOR MONITORING A FLUID FLOW, VOLUME AND HEAT METER |
SU1117448A1 (en) * | 1983-08-31 | 1984-10-07 | Предприятие П/Я В-8948 | Ball-type flowmeter |
JPS62168022A (en) * | 1986-01-20 | 1987-07-24 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Flow rate sensor |
RU2471154C1 (en) * | 2011-08-04 | 2012-12-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Ball-type primary transducer of flow of electroconductive liquid |
US8505378B2 (en) * | 2006-10-10 | 2013-08-13 | Marcel Leonardus Joseph Petrus Peters | Orbital ball flowmeter for gas and fluid |
RU2566428C1 (en) * | 2014-07-31 | 2015-10-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Universal electric ball primary flow converter of electroconducting fluid |
-
2020
- 2020-12-22 RU RU2020142615A patent/RU2762946C1/en active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE8217706U1 (en) * | 1982-03-08 | 1983-02-17 | Meterfabriek Schlumberger B.V., 3300 Dordrecht | DEVICE FOR MONITORING A FLUID FLOW, VOLUME AND HEAT METER |
SU1117448A1 (en) * | 1983-08-31 | 1984-10-07 | Предприятие П/Я В-8948 | Ball-type flowmeter |
JPS62168022A (en) * | 1986-01-20 | 1987-07-24 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Flow rate sensor |
US8505378B2 (en) * | 2006-10-10 | 2013-08-13 | Marcel Leonardus Joseph Petrus Peters | Orbital ball flowmeter for gas and fluid |
RU2471154C1 (en) * | 2011-08-04 | 2012-12-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Ball-type primary transducer of flow of electroconductive liquid |
RU2566428C1 (en) * | 2014-07-31 | 2015-10-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Universal electric ball primary flow converter of electroconducting fluid |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2777291C1 (en) * | 2022-02-28 | 2022-08-02 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Ball flow meter for electrically conductive liquid |
RU2811675C1 (en) * | 2023-10-05 | 2024-01-15 | Федеральное государственное бюджетное образовательно учреждение высшего образования "Уфимский университет науки и технологий" | Ball flow meter for electrically conductive liquid |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6119529A (en) | Fluid flow meter and corresponding flow measuring methods | |
US6563306B2 (en) | Method and apparatus for detecting displacement of a magnet moved in response to variation of a physical characteristic of a fluid | |
US4592240A (en) | Electrical-charge sensing flowmeter | |
Bera et al. | A flow measurement technique using a noncontact capacitance-type orifice transducer for a conducting liquid | |
CN111946324B (en) | Oil-gas-water multiphase flow parameter logging instrument containing movable component | |
Pereira | Flow meters: part 1 | |
US4157660A (en) | Digital flowmeter | |
RU2762946C1 (en) | Ball-type flow meter for electrically conductive liquid | |
RU2685798C1 (en) | Radio ball primary converter of liquid flow | |
US3443432A (en) | Flowmeter | |
MXPA05000489A (en) | Compact device for measuring the speed and the direction of rotation of an object. | |
RU2566428C1 (en) | Universal electric ball primary flow converter of electroconducting fluid | |
US3374672A (en) | Flowmeter | |
RU2471154C1 (en) | Ball-type primary transducer of flow of electroconductive liquid | |
CN111189881A (en) | Two-phase flow grid sensor visualization method based on differential measurement mode | |
RU2777291C1 (en) | Ball flow meter for electrically conductive liquid | |
RU2761416C1 (en) | Universal ball liquid flow meter | |
CN217359949U (en) | Ocean current velocity of flow monitoring devices | |
RU2811675C1 (en) | Ball flow meter for electrically conductive liquid | |
RU2548055C1 (en) | Ball electronic-optical primary converter of clear liquid flow | |
RU2631916C1 (en) | Method of controlling fluid media flow measurement by electromagnetic flowmeter | |
Lata et al. | Investigation of the effect of electrodes distance on the polarization impedance type flowmeter | |
Medlock | The techniques of flow measurement | |
GB2189032A (en) | Flowmeter | |
CN219511608U (en) | Turbine flowmeter and control circuit thereof |