RU2777291C1 - Ball flow meter for electrically conductive liquid - Google Patents
Ball flow meter for electrically conductive liquid Download PDFInfo
- Publication number
- RU2777291C1 RU2777291C1 RU2022105314A RU2022105314A RU2777291C1 RU 2777291 C1 RU2777291 C1 RU 2777291C1 RU 2022105314 A RU2022105314 A RU 2022105314A RU 2022105314 A RU2022105314 A RU 2022105314A RU 2777291 C1 RU2777291 C1 RU 2777291C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ball
- liquid
- output
- electrodes
- voltage
- Prior art date
Links
- 239000007788 liquid Substances 0.000 title claims abstract description 46
- 241001442055 Vipera berus Species 0.000 claims abstract description 12
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 claims abstract description 6
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 230000001629 suppression Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 15
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 8
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 8
- 230000005291 magnetic Effects 0.000 description 7
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 6
- 230000005294 ferromagnetic Effects 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000003068 static Effects 0.000 description 3
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 230000000051 modifying Effects 0.000 description 2
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 230000001131 transforming Effects 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 1
- 230000007274 generation of a signal involved in cell-cell signaling Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical Effects 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в расходометрии электропроводных жидкостей в химической, пищевой и фармацевтической промышленности, в жилищно-коммунальном хозяйстве, тепло- и электроэнергетике, в счетчиках количества теплоты с водяной системой теплоснабжения.The invention relates to measuring technology and can be used in flow measurement of electrically conductive liquids in the chemical, food and pharmaceutical industries, in housing and communal services, heat and power industry, in heat meters with a water heating system.
Особенно перспективно использование заявленного шарикового расходомера электропроводной жидкости (далее ШРЭЖ) при необходимости регистрации предельно малых расходов жидкости и в очень широком динамическом диапазоне измерения, когда известные электромагнитные, турбинные, вихревые или кориолисовые расходомеры использоваться не могут.Especially promising is the use of the claimed spherical flow meter of an electrically conductive liquid (hereinafter referred to as SHREZh) if it is necessary to record extremely low liquid flow rates and in a very wide dynamic range of measurement, when known electromagnetic, turbine, vortex or Coriolis flow meters cannot be used.
Все известные конструкции 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 designs of ball flowmeters are united, firstly, by the use of a tangential or helical flow guide apparatus and a ball made of a ferromagnetic material or a dielectric that can rotate in an annular channel, and secondly, the use of one or another method of converting the angular velocity of rotation of the ball into frequency 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.].The technical and operational characteristics of ball flowmeters must comply with the "General Specifications" [Tachometric ball flowmeters GSP, GOST 14012-76, publishing house of standards, 1984].
Известны шариковые первичные преобразователи 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, 1989-701 с.].Known ball primary transducers of the flow of liquids, which use a magnetic induction sensor of the speed of the ball, made of ferromagnetic material [Kremlin P.P. Flowmeters and counters of quantity. Directory. 4th ed. L.: Mashinostroenie, 1989-701 p.].
Известен шариковый преобразователь расхода [патент RU 2253843 C1, МПК 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, IPC
Известен шариковый расходомер [а.с. SU 1591618 A1, МПК 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 съёма 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, IPC
Известен шариковый расходомер [а.с. SU1117448 А, МПК G01F1/06, опубл. 07.10.1984 г.], содержащий измерительный участок трубопровода с размещённым в нём первичным преобразователем, состоящим из цилиндрического корпуса с кольцевым каналом, струенаправляющего аппарата, струевыпрямителя и шарика, сужающего устройства, установленного соосно перед первичным преобразователем и каналом для перепуска для части потока, а также узел съема электрического сигнала. Known ball flow meter [and.with. SU1117448 A, IPC G01F1/06, publ. 10/07/1984], containing a measuring section of the pipeline with a primary converter located in it, consisting of a cylindrical body with an annular channel, a jet guide apparatus, a jet straightener and a ball, a narrowing device installed coaxially in front of the primary converter and a bypass channel for part of the flow, and also an electrical signal pickup unit.
Во всех конструкциях вышеперечисленных шариковых преобразователей расхода жидкости в импульсный электрический выходной сигнал имеются недостатки, обусловленные использованием ферромагнитного шарика и магнитоиндукционного датчика:In all designs of the above ball converters of the 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:
- 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;- when a ferromagnetic ball passes near the magnetic circuit of the magnetic induction sensor, it becomes magnetized (attracted) and, with a small flow rate of liquid, it sticks, which causes a non-linearity of the static characteristic and a significant threshold of sensitivity in the region of low flow rates;
- при горизонтальном положении преобразователя, поскольку ферромагнитный шарик относительно веса вытесненной жидкости тяжёлый, то есть обладает отрицательной плавучестью, наблюдается непостоянство скорости вращения шарика в пределах одного оборота, которое нарастает при уменьшении скорости вращения, что в итоге ещё больше искажает статическую характеристику первичного преобразователя;- in 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 speed of rotation of the ball within one revolution, which increases with a decrease in the rotation speed, which ultimately distorts the static characteristic of the primary transducer even more;
- очень сильная зависимость выходного сигнала магнитоиндукционного датчика от частоты вращения шарика;- very strong dependence of the output signal of the magnetic induction sensor on the speed of the ball;
- использование тяжёлого ферромагнитного шарика и применение магнитоиндукционного способа формирования выходного импульсного сигнала резко снижает динамический диапазон измерения расхода жидкости и увеличивает погрешность измерения расхода жидкости . В частности, серийно выпускаемые шариковые первичные преобразователи «Шторм-8А» и «Шторм-32М», внесённые в Государственный реестр средств измерений под №5706-08, имеют узкий рабочий диапазон (4÷6) и 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 sharply reduces the dynamic range of liquid flow measurement and increases the measurement error of liquid flow . In particular, mass-produced ball primary transducers "Storm-8A" and "Storm-32M", entered in the State Register of Measuring Instruments under No. 5706-08, have a narrow operating range (4÷6) and a large measurement error (1.5- 2.5%), according to TU 4213-865-00225555-2007.
Известен электронно-оптический шариковый первичный преобразователь расхода жидкости [патент RU 2548055 С1, МПК 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, причём для формирования выходного электрического (частотного или число-импульсного) сигнала используется светоизлучатель и фотоприёмник, 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 fluid flow transducer [patent RU 2548055 C1, IPC
Известен радио-шариковый первичный преобразователь расхода жидкости [патент RU 2685798 С1, МПК G01F 1/05, опубл. 23.04.2019 г.], отличающийся тем, что шарик выполнен пустотелым, во внутренней полости которого размещены индуктивность в виде нескольких пространственно расположенных витков электропровода и конденсатор, включенные последовательно и в кольцо с резонансной частотой, равной частоте автоколебаний индуктивно-ёмкостного генератора с индуктивностью, расположенной близко к кольцевому каналу, напряжение на которой после детектирования амплитудным детектором является выходным электрическим сигналом.Known radio ball primary fluid flow transducer [patent RU 2685798 C1, IPC
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 съёма электрического сигнала, отличающийся от шарикового первичного преобразователя расхода жидкости с магнитоиндукционным датчиком и ферромагнитным шариком 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. Но в этой конструкции преобразователя не учитывается влияние угловой скорости вращения жидкости в кольцевом канале на подвижность положительных и отрицательных ионов жидкости, что снижает динамический диапазон измерения и увеличивает погрешность преобразования расхода жидкости в выходной сигнал.Known ball primary transducer flow conductive fluid [patent RU No. 2471154 C1, IPC
Известен шариковый первичный преобразователь расхода электропроводной жидкости [патент RU 2566428 С1, МПК G01F 1/06, опубл. 27.10.2015 г., бюл. №30], состоящий из корпуса, выполненного из диалектического материала, с кольцевым каналом, струенаправляющего аппарата и узла формирования выходного электрического сигнала, в котором используется диэлектрический шарик с нулевой плавучестью в жидкости, в кольцевом канале и в плоскости качения шарика установлены три электрода, 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 управляемых вращающимся шариком.Known ball primary transducer flow conductive fluid [patent RU 2566428 C1, IPC
Наиболее близким по конструкции и достигаемому техническому результату является шариковый расходомер электропроводной жидкости [патент RU 2762946 С1, МПК G01F 1/05, опубл. 24.12.2021 г., бюл. №36], состоящий из цилиндрического корпуса, соосно установленного в него винтообразного струенаправляющего аппарата с ступицей, кольцевого канала между ступицей и внутренней поверхностью корпуса, шара, который может вращаться в кольцевом канале, выполненного из диэлектрического материала и имеющего нулевую плавучесть в жидкости, четырех электродов, установленных в вершинах квадрата, два из которых, находящихся вдоль направления движения жидкости с шаром, соединены с общей шиной схемы, два других электрода присоединены к инвертирующему и неинвертирующему входам однопорогового компаратора.The closest in design and achieved technical result is a ball flow meter conductive liquid [patent RU 2762946 C1, IPC G01F 1/05, publ. December 24, 2021, bul. No. 36], consisting of a cylindrical body, a helical jet guide apparatus with a hub coaxially installed in it, an annular channel between the hub and the inner surface of the body, a ball that can rotate in the annular channel, made of a dielectric material and having zero buoyancy in a liquid, four electrodes , installed at the vertices of the square, two of which, located along the direction of movement of the fluid with the ball, are connected to a common circuit bus, the other two electrodes are connected to the inverting and non-inverting inputs of the single-threshold comparator.
В этой конструкции расходомера при больших расходах жидкости и, следовательно, больших скоростях движения шара относительно электродов достигается подавление влияния изменения подвижности ионов электропроводной жидкости на выбранный режим работы электронной схемы. Этот эффект позволяет увеличить динамический диапазон измерения расхода жидкости и уменьшить погрешность преобразования расхода жидкости в импульсный выходной сигнал.In this design of the flow meter at high liquid flow rates and, consequently, high speeds of the ball relative to the electrodes, suppression of the influence of changes in the mobility of the ions of the electrically conductive liquid on the selected mode of operation of the electronic circuit is achieved. This effect allows you to increase the dynamic range of liquid flow measurement and reduce the error in converting liquid flow into a pulsed output signal.
Недостатком данного расходомера является невозможность сохранения его работоспособности при предельно низких расходах жидкости, при которых частота вращения шара в кольцевом канале не превышает единицы Герц. Например, при частоте вращения шара 1 Гц компаратор (или операционный усилитель, функционирующий как компаратор входных синфазных напряжений) будет продолжительное время находиться в линейном режиме работы, что свидетельствует, во первых, о неимпульсной форме выходного напряжения расходомера, во-вторых, о чувствительности электронной части расходомера к электрическим и электромагнитным помехам, так как во входных цепях компаратора находятся высокоомные сопротивления жидкости. В реальных условиях эксплуатации шариковых расходомеров основным источником электрических и электромагнитных помех является силовая электрическая сеть 220 (380) В, 50 Гц, выходное напряжение будет представлять собой непрерывный поток квазиимпульсного напряжения с частотой 50 Гц. Выбор компаратора (или операционного усилителя) с очень большим коэффициентом усиления по напряжению с целью уменьшения длительности фронтов выходного напряжения приводит к еще большей помеховосприимчивости электронной части расходомера.The disadvantage of this flow meter is the impossibility of maintaining its performance at extremely low fluid flow rates, at which the rotational speed of the ball in the annular channel does not exceed one Hertz. For example, at a ball rotation frequency of 1 Hz, the comparator (or an operational amplifier functioning as a comparator of input common-mode voltages) will be in a linear operating mode for a long time, which indicates, firstly, the non-pulse form of the output voltage of the flowmeter, and secondly, the sensitivity of the electronic parts of the flow meter to electrical and electromagnetic interference, since there are high-resistance liquid resistances in the input circuits of the comparator. In actual operating conditions of ball flowmeters, the main source of electrical and electromagnetic interference is the power supply network 220 (380) V, 50 Hz, the output voltage will be a continuous flow of quasi-pulse voltage with a frequency of 50 Hz. The choice of a comparator (or operational amplifier) with a very high voltage gain in order to reduce the duration of the output voltage edges leads to even greater noise susceptibility of the flowmeter electronics.
Задачей изобретения является расширение областей использования шариковых расходомеров электропроводных жидкостей.The objective of the invention is to expand the areas of use of ball flow meters for electrically conductive liquids.
Технический результат - предельно широкий динамический диапазон измерения, обеспечение работоспособности расходомера при очень низких расходах жидкости с гарантированным подавлением влияния электрических и электромагнитных помех, высокая прямоугольность импульсного выходного напряжения, снижение вероятности возникновения электрохимических процессов в расходомере, два функционально идентичных выхода схемы с очень низким выходным сопротивлением, возможность использования дифференциального выходного сигнала, предельно низкие напряжения между электродами.EFFECT: extremely wide dynamic measurement range, ensuring the operability of the flow meter at very low liquid flow rates with guaranteed suppression of the influence of electrical and electromagnetic interference, high squareness of the pulsed output voltage, reducing the likelihood of electrochemical processes in the flow meter, two functionally identical circuit outputs with a very low output resistance , the possibility of using a differential output signal, extremely low voltages between the electrodes.
Поставленная задача и технический результат достигаются в шариковом расходомере электропроводной жидкости, состоящим из цилиндрического корпуса, винтообразного потоконаправляющего аппарата, шара с нулевой плавучестью в жидкости, изготовленных из диэлектрического материала, четырех электродов, электронная схема которого в отличии от прототипа содержит два операционных усилителя, на которых реализованы два инвертирующих алгебраических сумматора напряжения, входы которых соединены с источником опорного напряжения и выходом смежного сумматора.The task and the technical result are achieved in a ball flow meter of an electrically conductive liquid, consisting of a cylindrical body, a helical flow guide apparatus, a ball with zero buoyancy in a liquid, made of a dielectric material, four electrodes, the electronic circuit of which, unlike the prototype, contains two operational amplifiers, on which two inverting algebraic voltage adders are implemented, the inputs of which are connected to a reference voltage source and the output of an adjacent adder.
Сущность изобретения поясняется чертежами: на Фиг. 1 представлена электронная схема расходомера, на Фиг. 2 показана конструкция гидромеханической части шарикового расходомера электропроводной жидкости.The essence of the invention is illustrated by drawings: Fig. 1 shows the electronic circuit of the flow meter, Fig. 2 shows the design of the hydromechanical part of a ball flow meter for an electrically conductive liquid.
Электронная схема ШРЭЖ состоит из операционных усилителей (далее - ОУ) и , четырех постоянных сопротивлений , , и , сопротивлений электропроводной жидкости и между электродами соответственно , и , , возникающими при эксплуатации расходомера, источника опорного напряжения . Электропитание схемы обеспечивается двумя источниками напряжения постоянного тока .The SHREZH electronic circuit consists of operational amplifiers (hereinafter - OU) and , four constant resistances , , and , resistance of conductive liquid and between the electrodes respectively , and , arising during the operation of the flowmeter, reference voltage source . The circuit is powered by two DC voltage sources. .
Электроды (Фиг. 2) , , и расположены заподлицо с внутренней поверхностью кольцевого канала, расположенного между корпусом расходомера 1 и ступицей 3. Винтообразный струенаправляющий аппарат 2 преобразует линейный поток жидкости во вращающийся поток, который приводит во вращение шар 4, имеющий нулевую плавучесть в жидкости и изготовленный из диэлектрического материала.Electrodes (Fig. 2) , , and located flush with the inner surface of the annular channel located between the body of the
Шар 4, перемещаясь между электродами и с частотой, пропорциональной расходу жидкости, с такой же частотой изменяет сопротивления жидкости или . Если шар 4 в данный момент времени находится между электродами или , то электрическое сопротивление жидкости или становится больше: соответственно или , где - безразмерный коэффициент относительного изменения сопротивления жидкости, - электрическое сопротивление жидкости между электродами и , когда между ними нет неэлектропроводного шара.
Таким образом, вращающийся в кольцевом канала ШРЭЖ шар 4 осуществляет модуляцию сопротивлений и с коэффициентом модуляции и частотой, пропорциональной величине расхода жидкости. Когда , то , если , то .Thus,
Из схемы на Фиг. 1 видно, что на ОУ и реализованы два алгебраических инвертирующих сумматора напряжений с резисторами отрицательных обратных связей соответственно и . Сумматор на ОУ выполняет суммирование опорного напряжения и выходного напряжения ОУ , сумматор на ОУ осуществляет суммирование также опорного напряжения и выходного напряжения, в результате чего в схеме действует положительная обратная связь.From the diagram in Fig. 1 shows that on the OS and implemented two algebraic inverting voltage adders with negative feedback resistors, respectively and . Op-amp adder performs the summation of the reference voltage and output voltage of the op-amp , adder on the OU also sums the reference voltage and output voltage , resulting in positive feedback in the circuit.
Положительная обратная связь обеспечивает очень высокую скорость изменения выходных напряжений и ОУ и , ограничиваемую параметром выбранного типа ОУ - скоростью нарастания выходного напряжения [В/сек].Positive feedback provides a very high rate of change in output voltages and OU and , limited by the parameter of the selected type of op-amp - the slew rate of the output voltage [V / s].
При анализе процесса формирования выходного напряжения ШРЭЖ с целью получения удобных и наглядных математических функций и соотношений необходимо идеализировать ОУ и , то есть пренебречь такими их параметрами, как входной ток, разность входных токов, приведенное к входу напряжение смещения, их дрейф по температуре и некоторыми эксплуатационными ограничениями (максимально допустимые входные дифференциальное и синфазное напряжения, максимально допустимый выходной ток, скорость изменения выходного напряжения).When analyzing the process of generating the output voltage of the SHREZH in order to obtain convenient and visual mathematical functions and relationships, it is necessary to idealize the op-amp and , that is, to neglect such parameters as the input current, the difference in input currents, the bias voltage reduced to the input, their temperature drift and some operational limitations (maximum permissible input differential and common mode voltages, maximum permissible output current, rate of change of output voltage).
Выходные напряжения инвертирующих алгебраических сумматоров, взаимно включенных последовательно, определяются соотношениями:The output voltages of inverting algebraic adders, mutually connected in series, are determined by the relations:
При реализации схемы на Фиг. 1 необходимо принять равенства сопротивлений резисторов: и . Тогда, рассматривая соотношения (1) и (2) как систему двух линейных уравнений с неизвестными и можно вычислить выходные напряжения ОУ и :When implementing the circuit in Fig. 1 it is necessary to accept the equalities of the resistances of the resistors: and . Then, considering relations (1) and (2) as a system of two linear equations with unknowns and you can calculate the output voltage of the op-amp and :
При известных сопротивлении жидкости между электродами и , если шар находится за пределами зоны этих электродов, коэффициенте относительного измерения сопротивления жидкости , если шар в данный момент времени располагается между электродами и , функции преобразования (3) и (4) примут вид:With known fluid resistance between electrodes and , if the ball is outside the zone of these electrodes, the coefficient of the relative measurement of the resistance of the liquid , if the ball is currently located between the electrodes and , transformation functions (3) and (4) will take the form:
когда шар находится между электродами ;when the ball is between the electrodes ;
если шар находится между электродами .if the ball is between the electrodes .
В начальном состоянии ШРЭЖ, когда шар в данный момент времени находится на максимальном удалении от зоны электродов , , и и , , выходные напряжения и ОУ и в соответствии с (3) и (4) одинаковы:In the initial state of SHREZh, when the ball is at the maximum distance from the electrode zone at a given time , , and and , , output voltages and OU and in accordance with (3) and (4) are the same:
Из формул (3), (4), (5) и (6) следует два очень важных вывода:From formulas (3), (4), (5) and (6) two very important conclusions follow:
Во-первых, сопротивления резисторов и не должны быть одинаковыми (), так как при их равенстве ОУ и окажутся в неактивном режиме работы (за пределами линейной зоны своей статической характеристики, где - коэффициент усиления по напряжению входного дифференциального напряжения ) и схема на Фиг. 1 не будет реагировать на изменения сопротивлений жидкости и при вращении шара в кольцевом канале, на выходах ОУ и установятся максимально возможные напряжения и или и , зависящие от типа интегрального ОУ и величины напряжений электропитания и .First, the resistances of the resistors and should not be the same ), since when they are equal, the OC and will find themselves in an inactive mode of operation (outside the linear zone of their static characteristic , where - voltage gain of the input differential voltage ) and the diagram in Fig. 1 will not respond to changes in fluid resistance and during rotation of the ball in the annular channel, at the outputs of the OS and maximum possible voltages are set and or and , depending on the type of integrated op amp and the magnitude of the power supply voltages and .
Во-вторых, из функций преобразования сопротивлений жидкости и в электрические напряжения и следует, что они по величине и полярности сильно зависят от величины и соотношения сопротивлений и и опорного напряжения .Secondly, from the functions of transformation of liquid resistances and into electrical voltages and it follows that in magnitude and polarity they strongly depend on the magnitude and ratio of the resistances and and reference voltage .
Выходным напряжением ШРЭЖ можно принять напряжение или . В схеме на Фиг. 1 выходным напряжением ШРЭЖ принято выходное напряжение ОУ SHREZH output voltage can accept voltage or . In the diagram in Fig. 1 output voltage SHREZH adopted the output voltage OU
Выходное напряжение ОУ характеризуется выражениями (6) и (7), но сдвинуто по фазе относительно выходного напряжения ОУ на угол, который определяется угловым расстоянием между электродами или .Output voltage OU characterized by expressions (6) and (7), but phase-shifted relative to the output voltage OU by an angle, which is determined by the angular distance between the electrodes or .
Рассмотрим пример расчёта ожидаемого режима работы ШРЭЖ и выбора сопротивлений резисторов и при известных сопротивлении жидкости , коэффициенте относительного изменения этого сопротивления и неограниченных по величине напряжений питания и . Пусть , , выбираем и из стандартных рядов E48 и E24 соответственно. Амплитудная величина выходного напряжения ШРЭЖ согласно формуле (5) . Выходное напряжение, когда шар находится на максимальном удалении от зоны электродов, . Если опорное напряжение , то и . Если требуется однополярное, положительное выходное импульсное напряжение , то последовательно с выходом ОУ необходимо включить в прямом направлении импульсный или маломощный выпрямительный диод. Для ограничения амплитуды выходного напряжения ШРЭЖ достаточно установить напряжения питания схемы и величиной , где - падение напряжения на прямосмещенном диоде (примерно 0.5 В).Consider an example of calculating the expected mode of operation of the SHREZH and choosing the resistance of resistors and with known fluid resistance , coefficient of relative change of this resistance and unlimited supply voltages and . Let , , choose and from the standard series E48 and E24 respectively. The amplitude value of the output voltage SHREZH according to the formula (5) . The output voltage when the ball is at the maximum distance from the electrode zone, . If the reference voltage , then and . If a unipolar, positive output pulse voltage is required , then in series with the output of the op-amp it is necessary to turn on in the forward direction a pulse or low-power rectifier diode. To limit the amplitude of the output voltage of the SHREZH, it is enough to set the supply voltage of the circuit and magnitude , where - voltage drop across the forward biased diode (approximately 0.5 V).
На Фиг. 3 представлена временная диаграмма выходного напряжения ШРЭЖ без ограничения по величине напряжений питания и (пунктирная линия) и при напряжении питания и с последовательно включённым диодом, иллюстрирующие выше рассмотренный пример расчета.On FIG. 3 shows the timing diagram of the output voltage of the SHREZh without limitation on the magnitude of the supply voltages and (dotted line) and at supply voltage and with a diode connected in series, illustrating the above calculation example.
В процессе подготовки ШРЭЖ к серийному производству рекомендуется сопротивлениями и , при известных сопротивлении жидкости и коэффициенте его относительного изменения , установить амплитуду согласно формуле (5) значительно большую, чем напряжение электропитания . Это обеспечивает высокую (требуемую по техническим условиям на ШРЭЖ) прямоугольность выходного импульсного напряжения и его независимость от электропроводности жидкости (сопротивления ) и коэффициента .In the process of preparing SREZH for mass production, it is recommended by the resistances and , with known fluid resistance and the coefficient of its relative change , set amplitude according to formula (5) significantly higher than the power supply voltage . This provides a high (required by the technical specifications for SHREZh) squareness of the output pulse voltage and its independence from the electrical conductivity of the liquid (resistance ) and coefficient .
Более того, значительным техническим достижением изобретения являются низкие и не меняющиеся при вращении шара в кольцевом канале электрические напряжения на электродах ШРЭЖ. Напряжения на электродах и всегда практически равны нулю, так как интегральные ОУ и имеют очень большой коэффициент усиления по напряжению, включены в инвертирующие схемы с отрицательными обратными связями, их неинвертирующие входы присоединены к общей шине электропитания (, ). Напряжения на электродах и присоединены к источнику опорного напряжения , не превышающему, как было показано в выше рассмотренном примере, сотые доли Вольта. В прототипе на электродах, присоединенных ко входам компаратора, для оптимального режима работы схемы требуются напряжения на уровне половины напряжения электропитания схемы.Moreover, a significant technical achievement of the invention is the low electric voltages on the SREZH electrodes that do not change during the rotation of the ball in the annular channel. Electrode voltages and are always practically equal to zero, since the integrated op amps and have a very high voltage gain, are included in inverting circuits with negative feedback, their non-inverting inputs are connected to a common power bus ( , ). Electrode voltages and connected to a reference voltage source , not exceeding, as shown in the above example, hundredths of a Volt. In the prototype, on the electrodes connected to the inputs of the comparator, for the optimal operation of the circuit, voltages are required at the level of half the voltage of the power supply to the circuit.
Очень низкие и неизменные напряжения на электродах предложенного ШРЭЖ свидетельствуют о низкой вероятности возникновения нежелательных электрохимических реакций на электродах.Very low and constant voltages on the electrodes of the proposed SREZH indicate a low probability of occurrence of undesirable electrochemical reactions on the electrodes.
Если в системе автоматического управления каким-либо технологическим процессом требуется дифференциальное выходное напряжение, то им может являться разность выходных напряжений ОУ и : . Вычитая (6) из (5), получим формулу:If in the automatic control system of any technological process a differential output voltage is required, then it can be the difference in the output voltages of the op-amp and : . Subtracting (6) from (5), we obtain the formula:
Если принять такие же значения , , , , как в выше рассмотренном примере, то . Желаемая величина и полярность выходного дифференциального напряжения устанавливается опорным напряжением .If we take the same values , , , , as in the above example, then . The desired value and polarity of the output differential voltage is set by the reference voltage .
Итак, в заявленном шариковом расходомере электропроводной жидкости достигаются высокая защищенность от воздействия электрических и электромагнитных помех, прежде всего при предельно низких расходах жидкости, высокая крутизна фронтов выходного импульсного напряжения и очень низкое выходное сопротивление, снижение вероятности возникновения электрохимических процессов на электродах расходомера, в целом, увеличение динамического диапазона, снижение погрешности преобразования расхода жидкости в выходное импульсное напряжение, а также увеличение эксплуатационного ресурса прибора, что реализуется за счет включения в электрическую схему двух операционных усилителей, на которых реализованы два инвертирующих алгебраических сумматора, выполняющие сложение опорного напряжения с выходным напряжением смежного сумматора.So, in the claimed spherical flow meter of a conductive liquid, high protection against the effects of electrical and electromagnetic interference is achieved, primarily at extremely low liquid flow rates, high steepness of the fronts of the output pulse voltage and very low output resistance, reducing the likelihood of electrochemical processes occurring on the electrodes of the flow meter, in general, an increase in the dynamic range, a decrease in the error in converting the liquid flow rate to the output pulse voltage, as well as an increase in the operational life of the device, which is realized by including two operational amplifiers in the electrical circuit, on which two inverting algebraic adders are implemented that add the reference voltage to the output voltage of an adjacent adder .
Claims (1)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2777291C1 true RU2777291C1 (en) | 2022-08-02 |
Family
ID=
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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 |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1111029A1 (en) * | 1981-09-10 | 1984-08-30 | Научно-Исследовательский И Проектный Институт По Комплексной Автоматизации Нефтяной И Химической Промышленности | Ball-type flowmeter |
RU2761416C1 (en) * | 2021-01-12 | 2021-12-08 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Universal ball liquid flow meter |
RU2762946C1 (en) * | 2020-12-22 | 2021-12-24 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Ball-type flow meter for electrically conductive liquid |
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1111029A1 (en) * | 1981-09-10 | 1984-08-30 | Научно-Исследовательский И Проектный Институт По Комплексной Автоматизации Нефтяной И Химической Промышленности | Ball-type flowmeter |
RU2762946C1 (en) * | 2020-12-22 | 2021-12-24 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Ball-type flow meter for electrically conductive liquid |
RU2761416C1 (en) * | 2021-01-12 | 2021-12-08 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Universal ball liquid flow meter |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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 | |
US3002384A (en) | Flow meter | |
US5444367A (en) | Method and apparatus for detecting particles in a fluid having coils isolated from external vibrations | |
RU2645834C1 (en) | Method and device for determining consumption in large diameter pipelines | |
US4333354A (en) | Liquid flow sensors | |
US4592240A (en) | Electrical-charge sensing flowmeter | |
US3406569A (en) | Magnetic flowmeter of improved linearity | |
KR950001284A (en) | Electromagnetic flowmeter and electronic measurement of flow rate | |
US3443432A (en) | Flowmeter | |
US6435036B1 (en) | Vortex flow meter | |
RU2685798C1 (en) | Radio ball primary converter of liquid flow | |
SE8100344L (en) | FLODESMETARE | |
RU2471154C1 (en) | Ball-type primary transducer of flow of electroconductive liquid | |
RU2777291C1 (en) | Ball flow meter for electrically conductive liquid | |
US2637207A (en) | Magnetic flowmeter | |
RU2566428C1 (en) | Universal electric ball primary flow converter of electroconducting fluid | |
RU2811675C1 (en) | Ball flow meter for electrically conductive liquid | |
RU2761416C1 (en) | Universal ball liquid flow meter | |
US4170133A (en) | Planar helical flowmeter | |
RU2762946C1 (en) | Ball-type flow meter for electrically conductive liquid | |
RU2631916C1 (en) | Method of controlling fluid media flow measurement by electromagnetic flowmeter | |
Lefebvre et al. | A transient electromagnetic flowmeter and calibration facility | |
US20200309577A1 (en) | Magnetic Flowmeter with Enhanced Signal/Noise Ratio | |
CN207557052U (en) | A kind of plane capacitance array measurement device of Dual-Phrase Distribution of Gas olid Particle velocity | |
RU2030713C1 (en) | Electromagnetic flow meter |