RU2803394C1 - Расходомер сверхмалых потоков - Google Patents

Abstract

Заявляемое изобретение относится к контрольно-измерительной технике и обеспечивает регистрацию малых скоростей фильтрации в диапазоне от нескольких десятков до сотых (и менее) кубического сантиметра в сутки. Расходомер сверхмалых потоков жидкости включает управляющую и измерительную части, при этом измерительная часть содержит приемную камеру, снабженную входным отверстием для подачи фильтрата и выходным отверстием, соединенным с измерительной трубкой с открытым концом, снабженной двумя парами электродов, установленных во внутреннем объеме измерительной трубки на определенном расстоянии друг от друга и соединенных с управляющей частью расходомера, продувочный клапан, соединенный с нагнетающим воздух компрессором и установленный напротив выходного отверстия приемной камеры, а управляющая часть представляет собой микроконтроллер, обеспечивающий управление элементами расходомера и выполненный с возможностью регистрации сопротивления на парах электродов при их замыкании фильтратом. Измеренные с помощью заявляемого расходомера данные могут быть использованы для оценки проницаемости различных по составу образцов слабопроницаемых горных пород и строительных материалов. Технический результат - обеспечение возможности автоматической регистрации значений объемного сверхмалого расхода (до 10^-2-10^-5 и менее см³/мин) жидкости. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Заявляемое изобретение относится к контрольно-измерительной технике, обеспечивающей автоматическую регистрацию малых скоростей фильтрации жидкостей в диапазоне от нескольких десятков до сотых долей кубического сантиметра в сутки, что может быть использовано при оценке проницаемости различных по составу образцов слабопроницаемых горных пород и строительных материалов. Изобретение также может быть использовано в области гидротехнического строительства для лабораторных исследований миграции влаги в порах и трещинах бетонных, железобетонных и сталежелезобетонных конструкций.

Уровень техники

Из уровня техники известны различные конструкции расходомеров малых и сверхмалых потоков (например, https://iteu.com.ua/obzor-rashodomerov/). Все они характеризуются различными принципами действия и, соответственно, разными областями применения.

Так, из патента РФ №2562936 известен проточный расходомер роторного типа, состоящий из корпуса с внутренней полостью и имеющимися внутри корпуса на поверхности полости выступами, с входным и выходным отверстиями, с расположенным внутри его полости вращающимся чувствительным элементом, при этом вращающийся чувствительный элемент является телом вращения с гладкой поверхностью с осью, проходящей через опоры элемента, а вращение этого элемента производится за счет сил вязкого трения движущейся в ламинарном режиме измеряемой жидкости о поверхность элемента.

Основной недостаток данного устройства заключается в высоких требованиях к точности изготовления его деталей, для обеспечения требуемых зазоров подвижной конструкции, что усложняет технологию изготовления известного устройства. Указанное устройство эффективно, преимущественно, для вязких жидкостей и ограниченно применимо для оценки проницаемости горных пород.

В публикации https://darkont.ru/articles/izmerenie-malyh-i-sverhmalyh-potokov/ раскрыта конструкция микрорасходомеров FMTD для сверхмалых и малых расходов жидкостей с малой вязкостью, при этом измерение расхода в известном устройстве осуществляют в результате двойного орбитального движения колебательного механизма, который обкатывается вокруг торца стержня балансира.

Устройства данного типа характеризуются высокими значениями диапазона мгновенных расходов (1250-250 мл/мин), что затрудняет их применение при необходимости оценки сверхмалых расходов, а также наличием высокоточных деталей в конструкции расходомера и технологичных электронных измерительных компонентов, что усложняет технологию изготовления микрорасходомера.

Известны также цифровые датчики потока компании Sensirion (http://www.sensorica.ru/d3-2b.shtml), которые измеряют минимальные уровни объема жидкости, менее 100 мл/мин. Датчики определяют объем проходящей жидкости через стенку трубки посредством конвертации измеренного тепла потока, проходящего через кварцевую измерительную трубку. На микрочипе сверху капиллярной трубки на термомембране расположен терморезистор с температурой выше окружающей. При наличии жидкости внутри капиллярной трубки изменяется температура на входе и выходе трубки. Данные параметры фиксируются двумя температурными датчиками. Конструкция датчика состоит из интегрированных на одном кристалле измерительного элемента, схемы усиления сигнала, AC/DC преобразователя и съемы цифровой обработки сигналов. Таким образом, достигается высокое разрешение, малое время отклика и широкий диапазон измерений при малой мощности потребления. Датчики предназначены для малостройных систем, таких, как точные измерения объема жидкости в жидкостной хроматографии, системы целевой доставки лекарств к тканям, микропроцессорные лабораторные системы, микробиологические разработки и системы проверки качества.

Недостатком данного устройства является технологическая сложность его изготовления и настройки.

Описанные выше конструкции неприменимы или сложно применимы для оценки водопроницаемости грунтов или бетонных конструкций. Фильтрация воды в грунтах представляет собой сложный процесс. Действительно, поры в разнозернистом грунте образуют извилистые каналы переменного сечения, соединяющиеся между собой в различных направлениях. Следовательно, и траектории движения воды в этих каналах будут крайне сложными. В пылевато-глинистых грунтах пленки связанной воды, окружающие глинистые частицы и связанные с ними силами электростатического притяжения, могут образовывать пробки, перекрывающие поровые каналы в некоторых сечениях и затрудняющие движение свободной воды. Действительная скорость движения воды в разных сечениях грунта может быть различной и, строго говоря, будет неопределенной, поэтому математическое описание фильтрации воды в грунте связано со схематизацией этого процесса и основывается на результатах экспериментов.

Для оценки водопроницаемости бетонных сооружений известны различные устройства, обеспечивающие измерение объема расхода жидкости, представленные, например, в следующем источнике информации https://www.researchgate.net/profile/Jose-Milla/publication/350736286_Methods_of_Test_for_Concrete_Permeability_A_Critical_Review/links/62cec5635dc7555897cf3c45/Methods-of-Test-for-Concrete-Permeability-A-Critical-Review.pdf.

Также для измерения интенсивности миграции влаги через бетон с трещинами может быть использовано устройство по патенту РФ на ПМ №43652, которое включает камеру, заполненную фильтрующей средой, контактирующей с поверхностью образца и мерный сборник фильтрата для измерения его количества. Устройство содержит приспособление для создания регулируемых температурных перепадов у противоположных сторон образца бетона с трещиной, а при использовании в качестве фильтрующей среды водо-воздушной смеси в камере дополнительно предусмотрена установка регулятора влажности.

Недостатком данной конструкции является необходимость выполнения замеров вручную, что затруднительно при большом количестве длительных опытов и значительно усложняет процесс измерения.

Таким образом, техническая проблема, решаемая посредством заявляемого изобретения, заключается в необходимости преодоления недостатков, присущих вышеприведенным аналогам за счет создания простого в изготовлении и использовании устройства, обеспечивающего точное измерение объемного расхода сверхмалых потоков жидкости.

Раскрытие изобретения

Технический результат заявляемого изобретения заключается в обеспечении возможности автоматической регистрации значений объемного сверхмалого расхода (до 10^-2-10^-5 и менее см³/мин) жидкости. Результаты таких измерений объемного расхода могут быть использованы для оценки проницаемости лабораторных образцов строительных материалов, бетонов, грунтов, для определения изменения проницаемости в процессе фильтрации и значений начального градиента, при котором возможна фильтрация.

Заявленный технический результат достигается тем, что расходомер сверхмалых потоков жидкости включает управляющую и измерительную части, при этом измерительная часть содержит приемную камеру, снабженную входным отверстием для подачи фильтрата, и выходным отверстием, соединенным с измерительной трубкой с открытым концом, снабженной двумя парами электродов, установленных во внутреннем объеме измерительной трубки на определенном расстоянии друг от друга, и соединенных с управляющей частью расходомера, продувочный клапан, соединенный с нагнетающим воздух компрессором и установленный напротив выходного отверстия приемной камеры, а управляющая часть представляет собой микроконтроллер, обеспечивающий управление элементами расходомера и выполненный с возможностью регистрации сопротивления на парах электродов при их замыкании фильтратом. Электроды одной пары могут быть размещены в измерительной трубке диаметрально противоположно. Пары электродов могут быть установлены на расстоянии 1-10 мм друг от друга. Диаметр измерительной трубки составляет 0,5-8 мм, при этом сама измерительная трубка может быть выполнена съемной с возможностью подсоединения ее электродов к контроллеру. Продувочный клапан может быть расположен соосно измерительной трубке.

Краткое описание чертежей

Заявляемое изобретение поясняется следующими чертежами и изображениями, где

на фиг. 1 представлена принципиальная схема заявляемого кондуктометрического расходомера сверхмалого потока;

на фиг. 2 представлена блок-схема программы автоматического расходомера сверхмалых потоков;

на фиг. 3 представлен график, демонстрирующий ориентировочные численные соотношения значений расхода и длительности его автоматического замера для выбора диаметра измерительной трубки и расстояния между парами электродов автоматического расходомера сверхмалых потоков;

на фиг. 4 представлен график, демонстрирующий регистрацию расхода фильтрации через образец с использованием заявляемого устройства.

Позициями на фигурах обозначены:

1. Вход фильтрата

2. Приемная камера

3. Измерительная трубка

4. Вход первой пары электродов через потенциометрический датчик

5. Вход второй пары электродов через потенциометрический датчик

6. Контроллер

7. Управляемое питание малогабаритного компрессора

8. Компрессор

9. Продувочный клапан.

Осуществление изобретения

Заявляемое устройство обеспечивает регистрацию малых скоростей фильтрации в диапазоне от нескольких десятков до сотых (и менее) кубического сантиметра в сутки. Данные измерения могут быть использованы для оценки проницаемости различных по составу образцов слабопроницаемых горных пород и строительных материалов. При реализации методики оценки проницаемости образец выдерживают до установления стабильного расхода фильтрации [Элбакидзе М.Г., 1988 г., с. 20, 43]. Так, например, проницаемость барьерной глины может быть различной по отношению к фильтрату с определенным составом и температурой [В.М. Гольдберг, Н.П. Скворцов, 1986 г., с. 90, 99], то же относится и к строительным материалам. Фильтрационные свойства глин и различных по составу смесей учитываются при возведении инженерных сооружений и противофильтрационных экранов для выбора материала с необходимыми противофильтрационными свойствами.

Заявляемое устройство включает измерительную и управляющую части.

Измерительная часть включает приемную камеру 2, снабженную входом для подвода фильтрата 1 и соединенную через выходное отверстие с измерительной трубкой 3. Приемная камера в общем случае обеспечивает возможность продувки устройства после каждого измерения. Приемная камера может быть любой удобной формы, например, цилиндрической. С целью обеспечения возможности продувки в нижней части приемной камеры по центру установлен продувочный клапан 9, выход которого направлен в сторону измерительной трубки. Продувочный клапан может быть размещен непосредственно внутри приемной камеры или подключен извне, в зависимости от его габаритов. Продувочный клапан предназначен, в том числе, для предотвращения попадания фильтрата в трубку компрессора, и может быть выполнен, например, из мягкого пластика, преимущественно, конической формы с щелевой вершиной, плотно сомкнутой за счет упругости и формы материала, и раскрывающейся в результате повышения давления воздуха с обратной стороны клапана (изнутри конуса) при продувке. Предпочтительно соосное размещение продувочного клапана и выходного отверстия приемной камеры. Подача воздуха в продувочный клапан обеспечивается через соединенный с ним компрессор 8, включение и выключение которого обеспечивает контроллер 6 через реле управляющее питанием 7. Компрессор обеспечивает нагнетание воздуха через продувочный клапан в приемную камеру после завершения измерительного процесса. Размер приемной камеры не влияет на качество измерений. После продувки больший объем приемной камеры остается заполненным в случае расположения выхода продувочного клапана перед входом в измерительную трубку с небольшим зазором для возможности фильтрации жидкости.

Измерительная трубка установлена в верхней части приемной камеры и имеет постоянный заданный объем между двумя парами подведенных к ее внутреннему объему электродов 4 и 5, регистрирующих поток фильтрата. Вход измерительной трубки сопряжен с выходным отверстием приемной камеры, а выход выполнен открытым для свободного удаления фильтрата после окончания измерения посредством продувки. Измерительная трубка с предустановленными электродами представляет собой готовый к использованию заменяемый, в случае необходимости, элемент. Могут быть изготовлены разные измерительные трубки, характеризующиеся различными объемами регистрации в зависимости от диапазона скорости фильтрации, что обеспечивается различными диаметрами измерительной трубки и размещением измерительных пар электродов на определенном расстоянии друг от друга по высоте измерительной трубки. Способ измерения расхода является объемным, поэтому для детальной записи изменения значений расхода емкость измерительной трубки выбирается, исходя из условия ее заполнения в течение не менее 20 с и не более 1 часа. Для замеров с длительностью более 1 часа требуется учет испарения, такие замеры являются менее представительными в отношении динамики изменения расходов во времени, но позволяют производить оценку меньших величин расхода. На измерительной трубке может быть нанесена шкала для визуального контроля расхода.

Диаметр отверстия для входа фильтрата в приемную камеру расходомера в общем случае составляет не менее диаметра измерительной трубки. Внутри измерительной трубки на определенном расстоянии друг от друга установлены две пары электродов. Электроды выполнены из коррозионно-стойких материалов, таких как графит, золото, платина. Оптимальный диаметр проволоки электрода составляет до 0,8 мм и не более диаметра измерительной трубки. Расположение электродов в паре предпочтительно друг напротив друга на максимальном удалении (по диаметру измерительной трубки), допустимо смещение электродов одной пары в измерительной трубке по высоте на расстоянии 0,5-1,5 диаметра электрода. То есть электроды одной пары расположены в плоскости, перпендикулярной оси измерительной трубки, диаметрально противоположно с небольшой погрешностью 0,5-1,5 диаметра электрода.

Управляющая часть устройства выполнена на основе микроконтроллера, соединенного отдельными каналами с парами электродов измерительной части через потенциометрические датчики влажности, и с контактом питания компрессора через управляющее реле. Контроллер, реализующий управление измерительной частью устройства и сохранение информации в блок памяти внешнего компьютера и вывод на его экран, на отдельный дисплей или на цифровой носитель, может размещаться внешним образом или быть скомплектован с измерительной частью в единый корпус. В качестве такого контроллера может быть использован, например, блок следующего типа https://niiet.ru/23_03_23/. Регистрация наличия воды на электродах реализована посредством подключения обоих пар электродов к микроконтроллеру через датчики влажности, функционирующие в цифровом режиме регистрации сопротивления и имеющие потенциометр, позволяющий производить регулировку от ложного срабатывания за счет повышенной влажности в трубке. Для опытного образца в качестве примера были использованы два датчика FC-28 (https://lrob.ru/vse_dlya_arduino/datchiki/datchik_vlazhnosti_pochvy_gigrometr_fc_28). К микроконтроллеру также подключен управляющий контакт для открытия/закрытия реле, которое включает компрессор после каждого замыкания фильтратом второй пары контактов (цикл измерения времени фильтрации). Может быть использовано реле следующего типа (https://www.elcomp.ru/product_info.php/releinyi-modul-5vdc-nizkii-uroven-signala-p-21006). Плата микроконтроллера помимо контактов ввода/вывода информации содержит также разъемы для подключения питания и заземления, модуль памяти для реализации программы, блок-схема которой представлена на фиг. 2.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Предварительно новое устройство тарируется посредством оценки объема измерительной трубки, ограниченного плоскостями размещения пар электродов, для чего в измерительную трубку подают заранее известный объем воды (например, посредством вливания точной градуированной пипеткой), пары электродов поочередно замыкаются, контроллер регистрирует сопротивление на электродах, после чего дополнительно на точных весах сверяют объем вытекшей из измерительной трубки воды. Непосредственно перед измерениями выполняют корректировку чувствительности замыкания обоих пар электродов путем регулировки колеса потенциометра, расположенного на датчиках влажности, подключенных к микроконтроллеру. Такая регулировка выполняется один раз и не производится далее при незначительном изменении минерализации и состава фильтрующихся растворов.

В качестве фильтрата для измерений используют предварительно подготовленный раствор, состав которого может быть различным, например, соответствовать составу подземных вод в природных и природно-техногенных условиях. Фильтрат подают в приемную камеру при постоянном или переменном давлении, значение которого выше давления на открытом конце измерительной трубки, при этом наличие фильтрации и, как следствие, значений расхода определяется наличием разности давлений. Так, фильтрат может попадать в приемную камеру из образца горной породы или строительного материала в соответствии с применяемой фильтрационной схемой испытания под действием постоянного или переменного давления. После заполнения фильтратом приемной камеры, через определенное время фильтрат попадает в измерительную трубку, где поочередно замыкает две пары электродов. Программа контроллера в постоянном режиме регистрирует сопротивление на первом канале, соединенным с первой парой электродов и, при наличии воды на контактах, переходит к регистрации сопротивления на втором канале. Скачок сопротивления означает наличие воды на регистрируемом канале. Известный объем измерительной трубки, заключенный между парами замыкающих электродов, а также время, прошедшее от замыкания первой пары электродов до замыкания второй пары, позволяют определить объемный расход фильтрата согласно формуле:

q = v/t, где:

q - расход фильтрации, вычисляемый программой контроллера [см³/мин];

v - известный после тарировки объем измерительной трубки между замыкающими электродами [см³];

t - время фильтрации, вычисляемое программой контроллера [мин].

Контроллер регистрирует изменение сопротивления последовательно на двух парах электродов при их замыкании поступающим фильтратом и фиксирует временной диапазон от первого изменения до второго, и определяет расход фильтрации объемным способом.

После замыкания контактов второй пары электродов программа микроконтроллера замыкает контакты реле компрессора на заданное время (0,5-1 мин), достаточное для выдувания фильтрата из измерительной трубки с использованием продувочного клапана, после чего устройство готово к следующему измерению в соответствии с циклом программы контроллера.

Пример конкретного выполнения

В качестве примера работы устройства для исследования фильтрации был подготовлен пробный образец бетона, приготовленный на глиноземистом цементе с добавкой бентонитовой глины. Такой состав обеспечивает изменение фильтрационных свойств при фильтрации, что может быть зарегистрировано расходомером в ходе опыта при постоянном давлении воды на входе в образец. Для оценки проницаемости такого образца необходимо обеспечить возможность регистрации малых объемов жидкости, протекающих сквозь бетонный образец. В образец бетона подавали водопроводную воду, которую собирали после ее фильтрации через образец и напрямую подавали в качестве фильтрата на вход заявляемого устройства.

Приемная камера экспериментального устройства имеет цилиндрическую форму диаметром 10 мм и высотой 17 мм, выполнена из прозрачного пластика. С боковой стороны выполнен вход для фильтрата с диаметром канала 2 мм. Внутри приемной камеры в ее нижней части расположен продувочный клапан высотой 13 мм диаметром 8 мм на входе и со щелевым отверстием на выходе. В качестве продувочного клапана для экспериментального устройства был использован следующий образец (https://kolomna.gomeovet.ru/images/cms/catalog3/rascheski_wetki_kusachki/abbb43884a77abde40448644535728dc.jpg). С противоположного относительно продувочного клапана торца приемной камеры установлена измерительная трубка диаметром 2 мм, высотой 15 мм, в которую введены две пары электродов, размещенных диаметрально противоположно. Расстояние между парами электродов составило 10 мм. В опытном образце устройства использован контроллер типа ATmega328P на плате (http://wiki.amperka.ru/%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B4%D1%83%D0%BA%D1%82%D1%8B:arduino-nano). После протекания сквозь бетонный образец вода в качестве фильтрата попадает в приемную камеру и затем в измерительную трубку, где поочередно замыкает пары электродов. Программа контроллера фиксирует поочередное замыкание пар контактов и вычисляет время от одного замыкания до другого, что позволяет определить объемный расход фильтрата при прохождении сквозь бетонный образец. Результаты записи объемного расхода фильтрата на опытном образце приведены на фиг. 4, при этом режим фильтрации с постоянным напором на торцах образца фиксируется соответствующими значениями градиента напора. Пример окончания измерений путем регистрации сопротивления на первой и второй паре контактов показал время заполнения объема измерительной трубки 1 328.84 с, что с учетом значения ее объема, равного примерно 0,03 см³, позволило оценить расход фильтрата, собранного по прохождении через бетонный образец со значением 1,4*10^-3 см³/мин. В ходе фильтрации с условно постоянным градиентом давления через образец выявлено постепенное снижение расхода, связанное с возрастающим фильтрационным сопротивлением в процессе фильтрации из-за набухания глинистых минералов в составе смеси или же с кольматацией порового пространства. Безразмерный параметр (I) определен как отношение разности давлений фильтрата и воздуха к длине пути фильтрата через образец и характеризует гидродинамическую (фильтрационную) силу потока в образце и определяет расход фильтрации, поэтому контроль (I) необходим для оценки проницаемости (фильтрационного сопротивления) образца.

Таким образом, заявляемое устройство характеризуется простотой изготовления и использования и, вместе с тем, позволяет регистрировать изменения объемного расхода сверхмалых потоков жидкости без применения сложных технологических средств в автономном режиме. С учетом того, что измерения сверхмалых потоков, как правило, длятся значительное время, автономность устройства и автоматический режим проведения эксперимента является важным преимуществом при исследованиях.

Claims (6)

1. Расходомер сверхмалых потоков жидкости, включающий управляющую и измерительную части, при этом измерительная часть содержит приемную камеру, снабженную входным отверстием для подачи фильтрата, и выходным отверстием, соединенным с измерительной трубкой с открытым концом, снабженной двумя парами электродов, установленных во внутреннем объеме измерительной трубки на определенном расстоянии друг от друга и соединенных с управляющей частью расходомера, продувочный клапан, соединенный с нагнетающим воздух компрессором и установленный перед выходным отверстием приемной камеры, а управляющая часть представляет собой микроконтроллер, обеспечивающий управление элементами расходомера и выполненный с возможностью регистрации сопротивления на парах электродов при их замыкании фильтратом.

2. Расходомер по п.1, отличающийся тем, что электроды одной пары размещены в трубке диаметрально противоположно.

3. Расходомер по п.1, отличающийся тем, что пары электродов установлены на расстоянии 0,2–10 мм друг от друга.

4. Расходомер по п.1, отличающийся тем, что диаметр измерительной трубки составляет 0,5–8 мм.

5. Расходомер по п.1, отличающийся тем, что продувочный клапан расположен соосно измерительной трубке.

6. Расходомер по п.1, отличающийся тем, что измерительная трубка выполнена съемной.