RU2777291C1 - Ball flow meter for electrically conductive liquid - Google Patents

Ball flow meter for electrically conductive liquid Download PDF

Info

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
Application number
RU2022105314A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Руслан Рашитович Садыков
Денис Николаевич Пущенко
Шамиль Саидович Сафинов
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет"
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет"
Application granted granted Critical
Publication of RU2777291C1 publication Critical patent/RU2777291C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: flow meters.
SUBSTANCE: ball flow meter of an electrically conductive liquid consists of a cylindrical body, a helical flow guide apparatus, an annular channel and a ball with zero buoyancy in a liquid, made of a dielectric material, four electrodes. Its electronic circuit 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.
EFFECT: extremely wide dynamic range of measurement, ensuring the operability of the flowmeter 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 flowmeter, two functionally identical circuit outputs with a very low output resistance, the possibility of using differential output signal, extremely low voltages between the electrodes.
1 cl, 3 dwg

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 G01F 1/06, publ. 06/10/2005], consisting of a body of non-magnetic material, a restrictive sleeve, an open annular cavity with a ball and a signal pickup unit. The open annular cavity is formed by the inner surface of the housing and the outer surface of the limiting sleeve. The transducer housing on the side of the opening of the cavity with the ball placed in it has an annular recess, which stabilizes the rotation of the vortex flow.

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 G01F 1/06, G01F 1/10, publ. 05/27/1988], consisting of a housing with inlet and outlet pipes. Inside the housing, a displacer rod and a limiting annular element are coaxially located, which forms a non-flowing cavity in the housing with a ball placed in it. The latter is connected with the flow part by an annular slot. In the area where the ball is placed on the body, there is a signal pickup unit. To set the ball into rotation, a jet guide is used, made in the form of tangential channels located in an annular protrusion located at the end of the restrictive annular element from the side of the flow part of the housing.

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

Figure 00000001
и увеличивает погрешность измерения расхода жидкости
Figure 00000002
. 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
Figure 00000001
and increases the measurement error of liquid flow
Figure 00000002
. 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 G01F 1/06, publ. 04/10/2015] in two design versions, consisting of a body with an annular channel in which the ball can freely rotate, a jet guide and a unit for generating an output electrical signal, and a light emitter is used to generate an output electrical (frequency or number-pulse) signal and a photodetector interconnected by direct optical and reverse positive electronic bonds. But this type of ball flow sensor is only suitable for measuring the flow of transparent liquids.

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 G01F 1/05, publ. 04/23/2019], characterized in that the ball is made hollow, in the inner cavity of which there is an inductance in the form of several spatially located turns of an electric wire and a capacitor connected in series and in a ring with a resonant frequency equal to the frequency of self-oscillations of an inductive-capacitive generator with an inductance, located close to the annular channel, the voltage on which, after being detected by the amplitude detector, is the output electrical signal.

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 G01F 1/05, 27.12.2012,], consisting of a cylindrical body with an annular channel in which the ball can freely rotate, a fixed jet guiding apparatus and an electrical signal pickup unit , which differs from a ball primary fluid flow transducer with a magnetic induction sensor and a ferromagnetic ball in that the ball is made of a dielectric material with zero buoyancy in the liquid, and in the area of the annular channel, perpendicular to the ball rolling trajectory, through bushings and flush with the channel surface, two electrodes are located , due to which the converter is operable at low fluid flow rates and in a horizontal position of the housing. However, this design of the transducer does not take into account the influence of the angular velocity of liquid rotation in the annular channel on the mobility of positive and negative ions of the liquid, which reduces the dynamic range of measurement and increases the error in converting the liquid flow rate into the output signal.

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 G01F 1/06, publ. October 27, 2015, bul. No. 30], consisting of a body made of a dialectical material with an annular channel, a jet guide apparatus and an output electrical signal generation unit, in which a dielectric ball with zero buoyancy in a liquid is used, three electrodes are installed in the annular channel and in the rolling plane of the ball, from in which the middle electrode is connected to the output of the operational amplifier, and the other two electrodes are connected to the inverting and non-inverting inputs of the same operational amplifier, so that the electrical resistances of the liquid between the middle and other two electrodes, together with two auxiliary resistors, form a negative and positive feedback covering the operational amplifier and driven by a rotating ball.

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)

Figure 00000003
и
Figure 00000004
, четырех постоянных сопротивлений
Figure 00000005
,
Figure 00000006
,
Figure 00000007
и
Figure 00000008
, сопротивлений электропроводной жидкости
Figure 00000009
и
Figure 00000010
между электродами соответственно
Figure 00000011
,
Figure 00000012
и
Figure 00000013
,
Figure 00000014
, возникающими при эксплуатации расходомера, источника опорного напряжения
Figure 00000015
. Электропитание схемы обеспечивается двумя источниками напряжения постоянного тока
Figure 00000016
.The SHREZH electronic circuit consists of operational amplifiers (hereinafter - OU)
Figure 00000003
and
Figure 00000004
, four constant resistances
Figure 00000005
,
Figure 00000006
,
Figure 00000007
and
Figure 00000008
, resistance of conductive liquid
Figure 00000009
and
Figure 00000010
between the electrodes respectively
Figure 00000011
,
Figure 00000012
and
Figure 00000013
,
Figure 00000014
arising during the operation of the flowmeter, reference voltage source
Figure 00000015
. The circuit is powered by two DC voltage sources.
Figure 00000016
.

Электроды (Фиг. 2)

Figure 00000011
,
Figure 00000013
,
Figure 00000014
и
Figure 00000012
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)
Figure 00000011
,
Figure 00000013
,
Figure 00000014
and
Figure 00000012
located flush with the inner surface of the annular channel located between the body of the flowmeter 1 and the hub 3. The helical jet guide 2 converts the linear fluid flow into a rotating flow, which drives the ball 4, which has zero buoyancy in the liquid and is made of a dielectric material.

Шар 4, перемещаясь между электродами

Figure 00000017
и
Figure 00000018
с частотой, пропорциональной расходу жидкости, с такой же частотой изменяет сопротивления жидкости
Figure 00000009
или
Figure 00000010
. Если шар 4 в данный момент времени находится между электродами
Figure 00000017
или
Figure 00000018
, то электрическое сопротивление жидкости
Figure 00000009
или
Figure 00000010
становится больше: соответственно
Figure 00000019
или
Figure 00000020
, где
Figure 00000021
- безразмерный коэффициент относительного изменения сопротивления жидкости,
Figure 00000022
- электрическое сопротивление жидкости между электродами
Figure 00000017
и
Figure 00000018
, когда между ними нет неэлектропроводного шара.Ball 4 moving between electrodes
Figure 00000017
and
Figure 00000018
with a frequency proportional to the flow rate of the liquid, with the same frequency changes the resistance of the liquid
Figure 00000009
or
Figure 00000010
. If ball 4 is currently between the electrodes
Figure 00000017
or
Figure 00000018
, then the electrical resistance of the liquid
Figure 00000009
or
Figure 00000010
gets bigger: accordingly
Figure 00000019
or
Figure 00000020
, where
Figure 00000021
- dimensionless coefficient of relative change in fluid resistance,
Figure 00000022
- electrical resistance of the liquid between the electrodes
Figure 00000017
and
Figure 00000018
when there is no non-conductive ball between them.

Таким образом, вращающийся в кольцевом канала ШРЭЖ шар 4 осуществляет модуляцию сопротивлений

Figure 00000009
и
Figure 00000010
с коэффициентом модуляции
Figure 00000021
и частотой, пропорциональной величине расхода жидкости. Когда
Figure 00000019
, то
Figure 00000023
, если
Figure 00000024
, то
Figure 00000020
.Thus, ball 4 rotating in the annular channel SHREZH modulates the resistance
Figure 00000009
and
Figure 00000010
with modulation factor
Figure 00000021
and a frequency proportional to the fluid flow rate. When
Figure 00000019
, then
Figure 00000023
, if
Figure 00000024
, then
Figure 00000020
.

Из схемы на Фиг. 1 видно, что на ОУ

Figure 00000003
и
Figure 00000004
реализованы два алгебраических инвертирующих сумматора напряжений с резисторами отрицательных обратных связей соответственно
Figure 00000006
и
Figure 00000008
. Сумматор на ОУ
Figure 00000003
выполняет суммирование опорного напряжения
Figure 00000015
и выходного напряжения ОУ
Figure 00000004
, сумматор на ОУ
Figure 00000004
осуществляет суммирование также опорного напряжения
Figure 00000015
и выходного напряжения
Figure 00000025
, в результате чего в схеме действует положительная обратная связь.From the diagram in Fig. 1 shows that on the OS
Figure 00000003
and
Figure 00000004
implemented two algebraic inverting voltage adders with negative feedback resistors, respectively
Figure 00000006
and
Figure 00000008
. Op-amp adder
Figure 00000003
performs the summation of the reference voltage
Figure 00000015
and output voltage of the op-amp
Figure 00000004
, adder on the OU
Figure 00000004
also sums the reference voltage
Figure 00000015
and output voltage
Figure 00000025
, resulting in positive feedback in the circuit.

Положительная обратная связь обеспечивает очень высокую скорость изменения выходных напряжений

Figure 00000026
и
Figure 00000027
ОУ
Figure 00000003
и
Figure 00000004
, ограничиваемую параметром выбранного типа ОУ - скоростью нарастания выходного напряжения [В/сек].Positive feedback provides a very high rate of change in output voltages
Figure 00000026
and
Figure 00000027
OU
Figure 00000003
and
Figure 00000004
, 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

Figure 00000025
и
Figure 00000004
, 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
Figure 00000025
and
Figure 00000004
, 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:

Figure 00000028
Figure 00000028

Figure 00000029
Figure 00000029

При реализации схемы на Фиг. 1 необходимо принять равенства сопротивлений резисторов:

Figure 00000030
и
Figure 00000031
. Тогда, рассматривая соотношения (1) и (2) как систему двух линейных уравнений с неизвестными
Figure 00000026
и
Figure 00000032
можно вычислить выходные напряжения ОУ
Figure 00000003
и
Figure 00000004
:When implementing the circuit in Fig. 1 it is necessary to accept the equalities of the resistances of the resistors:
Figure 00000030
and
Figure 00000031
. Then, considering relations (1) and (2) as a system of two linear equations with unknowns
Figure 00000026
and
Figure 00000032
you can calculate the output voltage of the op-amp
Figure 00000003
and
Figure 00000004
:

Figure 00000033
Figure 00000033

Figure 00000034
Figure 00000034

При известных сопротивлении жидкости

Figure 00000022
между электродами
Figure 00000017
и
Figure 00000018
, если шар находится за пределами зоны этих электродов, коэффициенте относительного измерения сопротивления жидкости
Figure 00000021
, если шар в данный момент времени располагается между электродами
Figure 00000017
и
Figure 00000018
, функции преобразования (3) и (4) примут вид:With known fluid resistance
Figure 00000022
between electrodes
Figure 00000017
and
Figure 00000018
, if the ball is outside the zone of these electrodes, the coefficient of the relative measurement of the resistance of the liquid
Figure 00000021
, if the ball is currently located between the electrodes
Figure 00000017
and
Figure 00000018
, transformation functions (3) and (4) will take the form:

Figure 00000035
Figure 00000035

когда шар находится между электродами

Figure 00000017
;when the ball is between the electrodes
Figure 00000017
;

Figure 00000036
Figure 00000036

если шар находится между электродами

Figure 00000018
.if the ball is between the electrodes
Figure 00000018
.

В начальном состоянии ШРЭЖ, когда шар в данный момент времени находится на максимальном удалении от зоны электродов

Figure 00000011
,
Figure 00000013
,
Figure 00000014
и
Figure 00000012
и
Figure 00000037
,
Figure 00000038
, выходные напряжения
Figure 00000026
и
Figure 00000027
ОУ
Figure 00000003
и
Figure 00000004
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
Figure 00000011
,
Figure 00000013
,
Figure 00000014
and
Figure 00000012
and
Figure 00000037
,
Figure 00000038
, output voltages
Figure 00000026
and
Figure 00000027
OU
Figure 00000003
and
Figure 00000004
in accordance with (3) and (4) are the same:

Figure 00000039
Figure 00000039

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

Figure 00000005
и
Figure 00000006
не должны быть одинаковыми (
Figure 00000040
), так как при их равенстве ОУ
Figure 00000003
и
Figure 00000004
окажутся в неактивном режиме работы (за пределами линейной зоны своей статической характеристики
Figure 00000041
, где
Figure 00000042
- коэффициент усиления по напряжению входного дифференциального напряжения
Figure 00000043
) и схема на Фиг. 1 не будет реагировать на изменения сопротивлений жидкости
Figure 00000009
и
Figure 00000010
при вращении шара в кольцевом канале, на выходах ОУ
Figure 00000003
и
Figure 00000004
установятся максимально возможные напряжения
Figure 00000044
и
Figure 00000045
или
Figure 00000046
и
Figure 00000047
, зависящие от типа интегрального ОУ и величины напряжений электропитания
Figure 00000048
и
Figure 00000049
.First, the resistances of the resistors
Figure 00000005
and
Figure 00000006
should not be the same
Figure 00000040
), since when they are equal, the OC
Figure 00000003
and
Figure 00000004
will find themselves in an inactive mode of operation (outside the linear zone of their static characteristic
Figure 00000041
, where
Figure 00000042
- voltage gain of the input differential voltage
Figure 00000043
) and the diagram in Fig. 1 will not respond to changes in fluid resistance
Figure 00000009
and
Figure 00000010
during rotation of the ball in the annular channel, at the outputs of the OS
Figure 00000003
and
Figure 00000004
maximum possible voltages are set
Figure 00000044
and
Figure 00000045
or
Figure 00000046
and
Figure 00000047
, depending on the type of integrated op amp and the magnitude of the power supply voltages
Figure 00000048
and
Figure 00000049
.

Во-вторых, из функций преобразования сопротивлений жидкости

Figure 00000009
и
Figure 00000010
в электрические напряжения
Figure 00000026
и
Figure 00000027
следует, что они по величине и полярности сильно зависят от величины и соотношения сопротивлений
Figure 00000005
и
Figure 00000006
и опорного напряжения
Figure 00000015
.Secondly, from the functions of transformation of liquid resistances
Figure 00000009
and
Figure 00000010
into electrical voltages
Figure 00000026
and
Figure 00000027
it follows that in magnitude and polarity they strongly depend on the magnitude and ratio of the resistances
Figure 00000005
and
Figure 00000006
and reference voltage
Figure 00000015
.

Выходным напряжением ШРЭЖ можно принять напряжение

Figure 00000026
или
Figure 00000027
. В схеме на Фиг. 1 выходным напряжением ШРЭЖ принято выходное напряжение
Figure 00000026
ОУ
Figure 00000050
SHREZH output voltage can accept voltage
Figure 00000026
or
Figure 00000027
. In the diagram in Fig. 1 output voltage SHREZH adopted the output voltage
Figure 00000026
OU
Figure 00000050

Выходное напряжение

Figure 00000027
ОУ
Figure 00000004
характеризуется выражениями (6) и (7), но сдвинуто по фазе относительно выходного напряжения
Figure 00000026
ОУ
Figure 00000003
на угол, который определяется угловым расстоянием между электродами
Figure 00000051
или
Figure 00000052
.Output voltage
Figure 00000027
OU
Figure 00000004
characterized by expressions (6) and (7), but phase-shifted relative to the output voltage
Figure 00000026
OU
Figure 00000003
by an angle, which is determined by the angular distance between the electrodes
Figure 00000051
or
Figure 00000052
.

Рассмотрим пример расчёта ожидаемого режима работы ШРЭЖ и выбора сопротивлений резисторов

Figure 00000005
и
Figure 00000006
при известных сопротивлении жидкости
Figure 00000022
, коэффициенте относительного изменения этого сопротивления
Figure 00000021
и неограниченных по величине напряжений питания
Figure 00000048
и
Figure 00000049
. Пусть
Figure 00000053
,
Figure 00000054
, выбираем
Figure 00000055
и
Figure 00000056
из стандартных рядов E48 и E24 соответственно. Амплитудная величина выходного напряжения ШРЭЖ согласно формуле (5)
Figure 00000057
. Выходное напряжение, когда шар находится на максимальном удалении от зоны электродов,
Figure 00000058
. Если опорное напряжение
Figure 00000059
, то
Figure 00000060
и
Figure 00000061
. Если требуется однополярное, положительное выходное импульсное напряжение
Figure 00000062
, то последовательно с выходом ОУ
Figure 00000003
необходимо включить в прямом направлении импульсный или маломощный выпрямительный диод. Для ограничения амплитуды выходного напряжения ШРЭЖ достаточно установить напряжения питания схемы
Figure 00000048
и
Figure 00000049
величиной
Figure 00000063
, где
Figure 00000064
- 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
Figure 00000005
and
Figure 00000006
with known fluid resistance
Figure 00000022
, coefficient of relative change of this resistance
Figure 00000021
and unlimited supply voltages
Figure 00000048
and
Figure 00000049
. Let
Figure 00000053
,
Figure 00000054
, choose
Figure 00000055
and
Figure 00000056
from the standard series E48 and E24 respectively. The amplitude value of the output voltage SHREZH according to the formula (5)
Figure 00000057
. The output voltage when the ball is at the maximum distance from the electrode zone,
Figure 00000058
. If the reference voltage
Figure 00000059
, then
Figure 00000060
and
Figure 00000061
. If a unipolar, positive output pulse voltage is required
Figure 00000062
, then in series with the output of the op-amp
Figure 00000003
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
Figure 00000048
and
Figure 00000049
magnitude
Figure 00000063
, where
Figure 00000064
- 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

Figure 00000048
и
Figure 00000049
(пунктирная линия) и при напряжении питания
Figure 00000065
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
Figure 00000048
and
Figure 00000049
(dotted line) and at supply voltage
Figure 00000065
and with a diode connected in series, illustrating the above calculation example.

В процессе подготовки ШРЭЖ к серийному производству рекомендуется сопротивлениями

Figure 00000005
и
Figure 00000006
, при известных сопротивлении жидкости
Figure 00000022
и коэффициенте его относительного изменения
Figure 00000021
, установить амплитуду
Figure 00000066
согласно формуле (5) значительно большую, чем напряжение электропитания
Figure 00000067
. Это обеспечивает высокую (требуемую по техническим условиям на ШРЭЖ) прямоугольность выходного импульсного напряжения и его независимость от электропроводности жидкости (сопротивления
Figure 00000022
) и коэффициента
Figure 00000021
.In the process of preparing SREZH for mass production, it is recommended by the resistances
Figure 00000005
and
Figure 00000006
, with known fluid resistance
Figure 00000022
and the coefficient of its relative change
Figure 00000021
, set amplitude
Figure 00000066
according to formula (5) significantly higher than the power supply voltage
Figure 00000067
. 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
Figure 00000022
) and coefficient
Figure 00000021
.

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

Figure 00000068
и
Figure 00000013
всегда практически равны нулю, так как интегральные ОУ
Figure 00000003
и
Figure 00000004
имеют очень большой коэффициент усиления по напряжению, включены в инвертирующие схемы с отрицательными обратными связями, их неинвертирующие входы присоединены к общей шине электропитания (
Figure 00000069
,
Figure 00000070
). Напряжения на электродах
Figure 00000071
и
Figure 00000012
присоединены к источнику опорного напряжения
Figure 00000015
, 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
Figure 00000068
and
Figure 00000013
are always practically equal to zero, since the integrated op amps
Figure 00000003
and
Figure 00000004
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 (
Figure 00000069
,
Figure 00000070
). Electrode voltages
Figure 00000071
and
Figure 00000012
connected to a reference voltage source
Figure 00000015
, 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

Figure 00000003
и
Figure 00000004
:
Figure 00000072
. 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
Figure 00000003
and
Figure 00000004
:
Figure 00000072
. Subtracting (6) from (5), we obtain the formula:

Figure 00000073
Figure 00000073

Если принять такие же значения

Figure 00000005
,
Figure 00000006
,
Figure 00000021
,
Figure 00000022
, как в выше рассмотренном примере, то
Figure 00000074
. Желаемая величина и полярность выходного дифференциального напряжения устанавливается опорным напряжением
Figure 00000015
.If we take the same values
Figure 00000005
,
Figure 00000006
,
Figure 00000021
,
Figure 00000022
, as in the above example, then
Figure 00000074
. The desired value and polarity of the output differential voltage is set by the reference voltage
Figure 00000015
.

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)

Шариковый расходомер электропроводной жидкости, состоящий из цилиндрического корпуса, винтообразного потоконаправляющего аппарата, кольцевого канала и шара с нулевой плавучестью в жидкости, изготовленных из диэлектрического материала, четырех электродов, отличающийся тем, что его электронная схема содержит два операционных усилителя, на которых реализованы два инвертирующих алгебраических сумматора напряжения, входы которых соединены с источником опорного напряжения и выходом смежного сумматора.A ball flow meter of an electrically conductive liquid, consisting of a cylindrical body, a helical flow guide apparatus, an annular channel and a ball with zero buoyancy in a liquid, made of a dielectric material, four electrodes, characterized in that its electronic circuit contains two operational amplifiers, on which two inverting algebraic voltage adder, the inputs of which are connected to a reference voltage source and the output of an adjacent adder.
RU2022105314A 2022-02-28 Ball flow meter for electrically conductive liquid RU2777291C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2777291C1 true RU2777291C1 (en) 2022-08-02

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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