RU42306U1

RU42306U1 - JET FLOW SENSOR

Info

Publication number: RU42306U1
Application number: RU2004122233/22U
Authority: RU
Inventors: А.В. Зайцев; В.И. Зайцев; В.Е. Мосин; Р.З. Фардеев; В.В. Цивилин; Николай Иванович Юргель
Original assignee: Зайцев Антон Владимирович; Зайцев Владимир Иванович; Мосин Владимир Евгеньевич; Фардеев Ринат Закарович; Цивилин Владислав Валентинович; Николай Иванович Юргель
Priority date: 2004-07-23
Filing date: 2004-07-23
Publication date: 2004-11-27

Abstract

Полезная модель относится к технике измерения расхода, в частности, к средствам измерения расхода газов или жидкостей. Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является расширение диапазона измерения расхода и обеспечение высокой точности измерения. Струйный датчик расхода состоит из струйного генератора колебаний 1 с использованием струйного дискретного элемента, включающего в себя сопло питания 2, рабочую камеру 3 с наклонными стенками 4 и 5, разделитель с дефлектором 6, сопла управления 7 и 8, приемные каналы 9 и 10, сливные каналы 11 и 12 и канал сброса 13. Сопла управления 7 и 8 соединены каналами обратной связи 14 и 15 с приемными каналами 9 и 10, а также пневмоэлектропреобразователь 16, подсоединенный к двум выходам генератора колебаний. Новым с струйном датчике расхода является выполнение проходного сечения сопла питания 2 прямоугольной формы и выбор соотношения размеров ширины, глубины сопла питания и длины рабочей камеры, удовлетворяющих выражению: 0,5<h/b_n<2; 5<I_э/b_n<20, где b_n - ширина сопла питания, мм; h - глубина сопла питания, мм; I_э - длина рабочей камеры, мм.The invention relates to a technique for measuring flow, in particular, to means for measuring the flow of gases or liquids. The technical problem to which the utility model is directed is to expand the range of flow measurement and ensure high accuracy of measurement. The inkjet flow sensor consists of a jet oscillation generator 1 using a discrete inkjet element, including a power nozzle 2, a working chamber 3 with inclined walls 4 and 5, a separator with a deflector 6, control nozzles 7 and 8, receiving channels 9 and 10, drain channels 11 and 12 and a reset channel 13. The control nozzles 7 and 8 are connected by feedback channels 14 and 15 with receiving channels 9 and 10, as well as a pneumoelectronic transducer 16 connected to two outputs of the oscillation generator. New with the jet flow sensor is the execution of the passage section of the power nozzle 2 of a rectangular shape and the choice of the ratio of the widths, depth of the power nozzle and the length of the working chamber, satisfying the expression: 0.5 <h / b _n <2; 5 <I _e / b _n <20, where b _n is the width of the power nozzle, mm; h is the depth of the power nozzle, mm; I _e - the length of the working chamber, mm

Description

Предложенная полезная модель относится к технике измерения расхода, в частности, к средствам измерения расхода газов или жидкостей.The proposed utility model relates to techniques for measuring flow, in particular, to means for measuring the flow of gases or liquids.

Известен струйный частотный датчик расхода, содержащий струйные переключатели, сопла питания которых соединены с выходным отверстием, а дренажные полости - с выходным отверстием, выходные сопла каждого переключателя подключены к управляющим соплам последующего переключателя. К выходным соплам одного из переключателей подключен пневмоэлектропреобразователь (А.С. СССР №857714, Кл. G 01 F 1/48 1977 г.).Known jet frequency flow sensor containing jet switches, the power nozzles of which are connected to the outlet, and the drainage cavity is connected to the outlet, the outlet nozzles of each switch are connected to the control nozzles of the subsequent switch. A pneumatic electric converter is connected to the output nozzles of one of the switches (AS USSR No. 857714, Cl. G 01 F 1/48 1977).

Недостатком известного струйного частотного датчика является существенная нелинейность характеристики из-за наличия отраженного от чувствительного элемента пневмоэлектропреобразователя пневматического сигнала, имеющего запаздывание, не зависящее от расхода от проходящей через датчик среды, и искажающего характеристику датчика. Кроме того, отбираемый пневматический сигнал, особенно на малых расходах измеряемой жидкости (газа), имеет малую амплитуду, вследствие чего датчик на малых расходах имеет низкую помехозащищенность, то есть низкую надежность. Все это препятствует широкому применению датчика.A disadvantage of the known jet frequency sensor is the significant non-linearity of the characteristic due to the presence of a pneumatic signal reflected from the pneumatic transducer element having a delay independent of the flow rate from the medium passing through the sensor and distorting the sensor characteristic. In addition, the selected pneumatic signal, especially at low flow rates of the measured liquid (gas), has a small amplitude, as a result of which the sensor at low flow rates has low noise immunity, that is, low reliability. All this prevents the widespread use of the sensor.

Известен струйный расходомер. Состоящий из струйного генератора колебаний, содержащего входное сопло, рабочую камеру, установленный напротив сопла разделитель, два выходных канала, расположенных по разные стороны рабочей камеры, а также две симметричные цепи обратной связи, каждая из которых включает входную часть, расположенную в зоне разделителя, и выходную часть в виде сопла управления, и преобразователя давления в электрический сигнал. Одна точка отбора давления находится в сопле управления первой цепи обратной связи, а другая - на выходе второй цепи обратной связи (прототип - описание изобретения к авторскому свидетельству №1.081.421 от 06.01.83, МПК G 01 F 1/20).Known jet flow meter. Consisting of a jet oscillation generator containing an input nozzle, a working chamber, a separator opposite the nozzle, two output channels located on opposite sides of the working chamber, and two symmetric feedback circuits, each of which includes an input part located in the separator zone, and the output part in the form of a control nozzle, and a pressure transducer into an electrical signal. One pressure take-off point is located in the control nozzle of the first feedback circuit, and the other is at the output of the second feedback circuit (prototype is a description of the invention to copyright certificate No. 1.081.421 of January 6, 83, IPC G 01 F 1/20).

Недостатком известного устройства является высокий нижний предел рабочих расходов, обусловленный тем, что работа струйного элемента построена на использовании эффекта притяжения струй к плоской стенке (эффекта Коанда), в соответствии с которым струя притягивается к стенке только при достаточно больших числах Рейнольдса (Re), что уменьшает диапазон измерения, не позволяющий измерять малые расходы.A disadvantage of the known device is the high lower limit of operating costs, due to the fact that the operation of the inkjet element is based on the use of the effect of attraction of the jets to a flat wall (Coanda effect), according to which the jet is attracted to the wall only at sufficiently large Reynolds numbers (Re), which reduces the measuring range, which does not allow to measure low costs.

Поэтому технической задачей на решение которой направлена полезная модель, является расширение диапазона измерения расхода и обеспечение высокой точности измерения.Therefore, the technical task to which the utility model is directed is to expand the range of flow measurement and ensure high accuracy of measurement.

Поставленная задача решается за счет того, что в струйном датчике расхода, содержащем струйный генератор колебаний с использованием одного или нескольких струйных дискретных элементов, который включает в The problem is solved due to the fact that in a jet flow sensor containing a jet oscillation generator using one or more discrete inkjet elements, which includes

себя сопло питания, рабочую камеру, разделитель с дефлектором, два сливных канала, расположенные по разные стороны рабочей камеры, два сопла управления, расположенные симметрично соплу питания, два приемных канала и два канала обратной связи, соединяющие приемные каналы с соплами управления и пневмоэлектропреобразователь, подключенный к двум выходам генератора колебаний, проходное сечение сопла питания выполнено прямоугольной формы, ориентированное перпендикулярно направлению потока текучей среды, при этом соотношение размеров ширины, глубины сопла питания и длины рабочей камеры удовлетворяют выражениям:a power nozzle, a working chamber, a separator with a deflector, two drain channels located on opposite sides of the working chamber, two control nozzles located symmetrically to the power nozzle, two receiving channels and two feedback channels connecting the receiving channels to the control nozzles and a pneumatic electroconverter to the two outputs of the oscillation generator, the orifice of the power nozzle is made in a rectangular shape, oriented perpendicular to the direction of fluid flow, while the ratio of the width s, and the power nozzle depth length of the working chamber satisfy the expressions:

0,5<h/b_n<2;0.5 <h / b _n <2;

5<I_э/b_n<20,5 <I _e / b _n <20,

где bn, h - ширина и глубина сопла питания, мм 1э - длина рабочей камеры, ммwhere bn, h is the width and depth of the power nozzle, mm 1e is the length of the working chamber, mm

Струйный датчик расхода обладает низким порогом чувствительности, что позволяет измерять малые расходы газа и жидкости. Порог чувствительности этого датчика снижается (вихреобразование начинается при пониженных числах Re) и становится возможным построение низкорасходных струйных датчиков расхода с большими проходными сечениями.The jet flow sensor has a low sensitivity threshold, which allows you to measure low gas and liquid flow rates. The sensitivity threshold of this sensor decreases (vortex formation begins at lower Re numbers) and it becomes possible to build low-flow jet flow sensors with large flow sections.

Из анализа научно-технической и патентной литературы заявляемой совокупности конструктивных признаков не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию «новизна».From the analysis of scientific, technical and patent literature, the claimed combination of design features has not been identified, which allows us to conclude that the technical solution meets the criterion of "novelty."

На фиг. изображен предлагаемый струйный датчик расхода.In FIG. The proposed inkjet flow sensor is shown.

Струйный датчик расхода состоит из струйного генератора колебаний 1 с использованием струйного дискретного элемента, включающего в себя сопло питания 2, рабочую камеру 3 с наклонными стенками 4 и 5, разделитель с дефлектором 6, сопла управления 7 и 8, приемные каналы 9 и 10, сливные каналы 11 и 12 и канал сброса расхода 13. Сопла управления 7 и 8 соединены каналами обратной связи 14 и 15 с приемными каналами 9 и 10, а также преобразователь пульсации давления в электрический сигнал -пневмоэлектропреобразователь 16, подсоединенный к двум выходам генератора колебаний.The inkjet flow sensor consists of a jet oscillation generator 1 using a discrete inkjet element, including a power nozzle 2, a working chamber 3 with inclined walls 4 and 5, a separator with a deflector 6, control nozzles 7 and 8, receiving channels 9 and 10, drain channels 11 and 12 and a discharge discharge channel 13. The control nozzles 7 and 8 are connected by feedback channels 14 and 15 to the receiving channels 9 and 10, as well as a pressure pulsation converter into an electrical signal — a pneumatic-electric converter 16 connected to two generator outputs to hesitation.

Генератор колебаний может включать в себя несколько струйных дискретных элементов, последовательно соединенных между собой и выполненных на пластинах. При этом каналы обратной связи 14 и 15 одного элемента поступают в сопла управления другого и так далее, а с последнего элемента каналы обратной связи поступают на первый.The oscillation generator may include several discrete inkjet elements connected in series with each other and made on the plates. In this case, the feedback channels 14 and 15 of one element enter the control nozzles of the other and so on, and from the last element the feedback channels enter the first.

Измеряемая среда через сопло питания 2 в виде струи истекает в рабочую камеру 3. Под воздействием перепада давления, возникающего в результате эффекта Коанда и эффекта внутренней обратной связи, струя The measured medium through the nozzle 2 in the form of a jet flows out into the working chamber 3. Under the influence of the pressure drop resulting from the Coanda effect and the effect of internal feedback, the jet

примыкает к одной из стенок, например 4, течет вдоль нее и попадает в приемных канал 9. Давление в приемном канале 9 увеличивается по сравнению с давлением в приемном канале 10. В результате возникает волна повышения давления, которая, распространяясь со скоростью звука по каналу обратной связи 14, достигает сопла управления 7 и вызывает переброс струи к стенке 5. Спустя время, равное времени срабатывания элемента, струя достигает приемного канала 10 и возникает волна повышения давления, которая распространяясь со скоростью звука по каналу обратной связи 15, достигает сопла управления 8 и вызывает переброс струи в направлении стенки 4. При этом часть расхода, не попавшая в приемные каналы 9 и 10 через сливные каналы 11 и 12 поступает в канал сброса 13.adjacent to one of the walls, for example 4, flows along it and enters the receiving channel 9. The pressure in the receiving channel 9 increases compared to the pressure in the receiving channel 10. As a result, a wave of pressure increase occurs, which, propagating with the speed of sound along the return channel 14, reaches the control nozzle 7 and causes the jet to transfer to the wall 5. After a time equal to the response time of the element, the jet reaches the receiving channel 10 and a wave of pressure increase occurs, which propagates with the speed of sound along the return channel 15, reaches the control nozzle 8 and causes the jet to transfer in the direction of the wall 4. In this case, a part of the flow rate that does not fall into the receiving channels 9 and 10 through the drain channels 11 and 12 enters the discharge channel 13.

В результате устанавливаются устойчивые колебания струи с частотой пропорциональной объемному расходу и обратно пропорциональна градуировочному коэффициенту:As a result, stable oscillations of the jet are established with a frequency proportional to the volumetric flow rate and inversely proportional to the calibration coefficient:

Где Q - объемный расход;Where Q is the volumetric flow rate;

I_э - длина рабочей камеры;I _e - the length of the working chamber;

b_n, h - ширина и глубина сопла;b _n , h - width and depth of the nozzle;

А - градуировочный коэффициент.A - calibration factor.

Безразмерный градуировочный коэффициент является функцией следующих безразмерных комплексов:The dimensionless calibration coefficient is a function of the following dimensionless complexes:

Можно предположить, что существует значение Re_min, такое, что при Re>Re_min величина А не зависит от Re. Значение Re_min определяется условиями на входе в сопло и находится экспериментально.We can assume that there is a value of Re _min , such that at Re> Re _{min the} value of A does not depend on Re. The value of Re _{min is} determined by the conditions at the entrance to the nozzle and is found experimentally.

Где V_min, Q_min - минимальные скорость и расход в сопле;Where V _min , Q _min - the minimum speed and flow rate in the nozzle;

ν - киниматическая вязкостьν - kinematic viscosity

Их формулы (3) получим We obtain their formulas (3)

Максимальный измеряемый расход определяется допустимым перепадом А Рдоп.The maximum measured flow rate is determined by the permissible differential A Rdop.

Где μ - коэффициент расхода сопла;Where μ is the nozzle flow coefficient;

ρ - плотность среды.ρ is the density of the medium.

Из формулы (3), (4) и (5) получим выражение для диапазона измеренийFrom formulas (3), (4) and (5) we obtain the expression for the measurement range

Из формулы (6) следует, что диапазон измерений увеличивается с ростом b_n, (поскольку основные размеры генератора колебаний пропорциональны b_n, то а растет с увеличением типоразмера), а для данного типоразмера увеличивается с уменьшением Re_min. Величина Re_max путем введения дополнительных возмущений на входе может быть уменьшено при выполнении проходного сечения сопла питания прямоугольной формы, что позволяет значительно снизить минимальный расход.From formula (6) it follows that the measurement range increases with increasing b _n (since the main dimensions of the oscillation generator are proportional to b _n , then a increases with increasing size), and for this standard size increases with decreasing Re _min . The value of Re _max by introducing additional perturbations at the input can be reduced by performing a feed-through section of a rectangular power nozzle, which can significantly reduce the minimum flow rate.

С уменьшением относительной глубины h/b_n уменьшается эжектирующая способность струи и, следовательно, уменьшается затухание скорости по длине струи, то есть увеличивается частота колебаний при прочих неизменных размерах.With a decrease in the relative depth h / b _n , the ejection ability of the jet decreases and, therefore, the attenuation of velocity along the length of the jet decreases, that is, the oscillation frequency increases with other unchanged dimensions.

С увеличением относительной длины камеры I_э/b_n увеличивается затухание скорости по длине струи относительно скорости истечения, что приводит к увеличению коэффициента А по сравнению с рассчитанным исходя из предположения о равенстве скорости в струе и скорости истечения.With an increase in the relative length of the chamber I _e / b _n , the attenuation of the velocity along the length of the jet relative to the outflow velocity increases, which leads to an increase in coefficient A compared to that calculated on the assumption that the velocity in the jet and the outflow velocity are equal.

В устройстве полезной модели соотношение размеров ширины и глубины входного сопла удовлетворяет выражению:In the device of the utility model, the ratio of the width and depth of the inlet nozzle satisfies the expression:

0,5<h/b_n<2;0.5 <h / b _n <2;

А соотношение размеров длины рабочей камеры и глубины входного сопла удовлетворяет выражению:And the ratio of the dimensions of the length of the working chamber and the depth of the inlet nozzle satisfies the expression:

5<I_э/b_n<20,5 <I _e / b _n <20,

Благодаря выбранным соотношениям размеров, струйный датчик расхода обладает низким порогом чувствительности, что позволяет измерять малые расходы газа и добиться, чтобы величина погрешности не превышала 1%, диапазон измерений 10:1.Due to the selected size ratios, the jet flow sensor has a low sensitivity threshold, which allows measuring low gas flow rates and ensuring that the error does not exceed 1%, the measurement range is 10: 1.

Claims

An inkjet flow sensor containing a jet oscillator using one or more discrete inkjet elements, which includes a power nozzle, a working chamber, a separator with a deflector, two drain channels located on opposite sides of the working chamber, two control nozzles located symmetrically to the power nozzle , two receiving channels and two feedback channels connecting the receiving channels with control nozzles and a pneumatic-electric converter connected to two outputs of the oscillation generator, distinguishing the fact that the orifice of the power nozzle is made of a rectangular shape, oriented perpendicular to the direction of fluid flow, while the ratio of the width, depth of the power nozzle and the length of the working chamber satisfy the expressions:

0.5 <h / b _n <2.0,

5.0 <l _e / b _n <20.0,

where b _n is the width of the power nozzle, mm;

h is the depth of the power nozzle, mm;

l _e - the length of the working chamber, mm