Вихревой расходомер (варианты)

 

Изобретение относится к измерению расхода с использованием вихрей Кармана. Расходомер содержит измерительный преобразователь электрического сигнала, корпус с циркуляционным каналом для текучей среды, в котором размещены тело обтекания и узел съема электрического сигнала с сенсорным элементом, двумя электродами и электрододержателем обоих электродов либо одного из них. Сенсорный элемент выполнен либо в виде упругодеформируемой оболочки из диэлектрического материала, закрепленной на поверхности электрододержателя с образованием полости, заполненной электропроводящей жидкостью, либо в виде кольца из материала с электропроводностью, не равной электропроводности текучей среды, установленного на электрододержателе с возможностью смещения относительно него. В этом варианте второй электрод размещен на корпусе вне зоны вихреобразования. Электрододержатель и сенеорный элемент расположены либо за телом обтекания, либо в выполненной в нем камере, сообщенной с различными зонами области вихреобразования. Расходомер имеет простую конструкцию и повышенную помехоустойчивость в условиях эксплуатации как в электропроводящей среде, так и в среде, не проводящей электричество. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 16 ил.

Изобретение относится к области измерения расхода жидкости с использованием динамической характеристики потока текучей среды и, в частности, вихрей Кармана.

Известен вихревой расходомер, содержащий корпус с циркуляционным каналом для текучей среды, размещенное в циркуляционном канале тело обтекания, измерительный преобразователь электрического сигнала и узел съема электрического сигнала с двумя электродами, один из которых является сенсорным элементом, установленным с возможностью электрического влияния на уровень электрического сигнала под действием турбулентности текучей среды в области вихреобразования, создаваемой телом обтекания (RU 2010164, G 01 F 1/32, 1994 г.).

Основным недостатком известного вихревого расходомера является низкая резонансная частота сенсорного элемента, что ограничивает величину верхнего предела диапазона измерений.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является вихревой расходомер, содержащий корпус с циркуляционным каналом для текучей среды, размещенное в циркуляционном канале тело обтекания, измерительный преобразователь электрического сигнала и узел съема электрического сигнала с двумя электродами, электорододержателем и сенсорным элементом, установленным с возможностью изменения положения относительно электродов и электрического воздействия на электроды под действием турбулентности текучей среды в области вихреобразования, создаваемой телом обтекания (US 4716770, G 01 F 1/32, 1988 г.).

Недостатком указанного технического решения является сложность конструкции, низкая чувствительность из-за большой массы и жесткости сенсорного элемента, выполненного из металла.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание расходомера, обеспечивающего измерение с высокими технико-экономическими показателями.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения согласно каждому варианту, заключается в упрощении конструкции и повышении помехоустойчивости в различных условиях эксплуатации.

По первому варианту указанный технический результат достигается вихревым расходомером, содержащим корпус с циркуляционным каналом для текучей среды, размещенные в циркуляционном канале тело обтекания и узел съема электрического сигнала с двумя электродами, электорододержателем и сенсорным элементом, установленным с возможностью изменения положения относительно электродов и изменения электрического сигнала на электродах под действием турбулентности текучей среды в области вихреобразования, создаваемой телом обтекания, и измерительный преобразователь электрического сигнала, отличающийся тем, что сенсорный элемент выполнен в виде упругодеформируемой оболочки из диэлектрического материала, закрепленной на поверхности электрододержателя с образованием полости, заполненной электропроводящей жидкостью.

А также за счет того, что тело обтекания выполнено с камерой и двумя каналами, сообщающими камеру с различными зонами области вихреобразования в циркуляционном канале, при этом электрододержатель и сенсорный элемент расположены в упомянутой камере.

А также за счет того, что электрододержатель и сенсорный элемент установлены в циркуляционном канале в области вихреобразования, расположенной за телом обтекания в направлении по ходу потока текучей среды.

По второму варианту указанный технический результат достигается вихревым расходомером, содержащим корпус с циркуляционным каналом для текучей среды, размещенные в циркуляционном канале тело обтекания и узел съема электрического сигнала с двумя электродами, электорододержателем одного из электродов и сенсорным элементом, установленным с возможностью изменения электрического сигнала на электродах под действием турбулентности текучей среды в области вихреобразования, создаваемой телом обтекания, и измерительный преобразователь электрического сигнала, отличающийся тем, что сенсорный элемент выполнен в виде цилиндрического кольца из материала с электропроводностью неравной электропроводности текучей среды, установленного на электрододержателе с возможностью смещения относительно него, при этом другой электрод размещен на корпусе вне зоны вихреобразования.

А также за счет того, что тело обтекания выполнено с камерой и двумя каналами, сообщающими камеру с различными зонами области вихреобразования в циркуляционном канале, при этом электрододержатель и сенсорный элемент расположены в упомянутой камере.

А также за счет того, что электрододержатель и сенсорный элемент установлены в циркуляционном канале в области вихреобразования, расположенной за телом обтекания в направлении по ходу потока текучей среды.

А также за счет того, что цилиндрическое кольцо выполнено из материала с плотностью, близкой плотности текучей среды.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан продольный разрез устройства по первому варианту с сенсорным элементом в виде оболочки и с электрододержателем в камере круглого сечения в теле обтекания; на фиг.2 - продольный разрез устройства по первому варианту с сенсорным элементом в виде оболочки и с электрододержателем в камере прямоугольного сечения в теле обтекания; на фиг.3 - сечение А - А фиг.1; на фиг.4 - продольный разрез устройства по второму варианту с сенсорным элементом в виде цилиндрического кольца и с электрододержателем в камере круглого сечения в теле обтекания; на фиг.5 - продольный разрез устройства по второму варианту с сенсорным элементом в виде цилиндрического кольца и с электрододержателем в камере прямоугольного сечения в теле обтекания; на фиг.6 - сечение Б - Б фиг.4; на фиг.7 - электрическая схема измерительного преобразователя электрического сигнала; на фиг.8 - фрагмент вида фиг.3 с деформированной оболочкой, замкнутой на поверхности электрододержателя обоими концами; на фиг.9 - сечение В - В фиг.8;
на фиг. 10 - фрагмент вида фиг.3 (вариант) с деформированной оболочкой, замкнутой на поверхности электрододержателя с одного конца;
на фиг. 11 - фрагмент вида фиг.6 со смещенным цилиндрическим кольцом в сторону сближения с электродом;
на фиг. 12 - фрагмент вида фиг.6 со смещенным цилиндрическим кольцом в сторону удаления от электрода;
на фиг.13 - продольный разрез устройства по первому варианту с сенсорным элементом в виде оболочки и с электрододержателем в зоне вихреобразования за телом обтекания;
на фиг.14 - сечение Г - Г фиг.13;
на фиг.15 - продольный разрез устройства по второму варианту с сенсорным элементом в виде цилиндрического кольца и с электрододержателем в зоне вихреобразования за телом обтекания;
на фиг.16 - сечение Д - Д фиг.13.

Вихревой расходомер содержит корпус 1 с циркуляционным каналом 2 для текучей среды. В канале циркуляционном 2 размещено тело 3 обтекания, которое может быть выполнено с камерой 4 и двумя каналами 5 и 6, сообщающими камеру 4 с разными зонами области вихреобразования в циркуляционном канале, возникающими под действием турбулентности текучей среды, а именно справа и слева относительно тела 3 обтекания.

Камера 4 в теле 3 обтекания может иметь круглое сечение (фиг.1 и 4) или прямоугольное сечение (фиг.2 и 5).

В камере 4 (фиг.3 и 6) или вне ее (фиг.13 и 15) в циркуляционном канале 2 в зоне вихреобразования, расположенной за телом 3 обтекания в направлении по ходу потока текучей среды, расположены электрододержатель 7 либо с двумя электродами 8 и 9 (первый вариант на фиг.3), либо с одним электродом 10 (второй вариант на фиг.6). В первом варианте на электрододержателе закреплен сенсорный элемент, выполненный в виде упругодеформируемой с возможностью изменения формы поперечного сечения и замкнутой на поверхности электрододержателя 7 оболочки 11. При этом оболочка выполнена из диэлектрического материала, либо имеет дно и замкнута на поверхности электрододержателя 7 с одного конца (фиг. 10), либо замкнута обоими концами (фиг.8), а образованная таким образом полость 12 оболочки 11 заполнена электропроводящей жидкостью.

Во втором варианте на электрододержателе 7 закреплен сенсорный элемент, выполненный в виде цилиндрического кольца 13, установленного на электрододержателе 7 с возможностью смещения в диаметральной плоскости и в продольном направлении относительно электрододержателя 7 между ограничителями 14 и 15 в пределах зоны, ограниченной обеспечением контакта с электродом 10 на электрододержателе 7, при этом другой электрод 16 размещен на корпусе 1 с электроконтактным выводом (на чертеже не показан) в циркуляционный канал 2 вне зоны вихреобразования (фиг.6).

Цилиндрическое кольцо 13 выполнено из материала с электропроводностью неравной электропроводности текучей среды и с плотностью, близкой плотности текучей среды либо, по меньшей мере, близкой ей по значению.

Электрододержатель 7 с двумя электродами 8 и 9 (в первом варианте) или с одним электродом 10 и другим электродом 16 на корпусе 1 (во втором варианте), а также сенсорный элемент, выполненный в виде оболочки 11 (в первом варианте) или в виде цилиндрического кольца 13 (во втором варианте), образуют узел съема электрического сигнала. Электрический сигнал возникает как следствие электрического воздействия сенсорного элемента на электроды под действием турбулентности текучей среды в области вихреобразования, создаваемой телом 3 обтекания. Съем электрического сигнала обусловлен гальваническим соединением электродов 8 и 9 (в первом варианте) или 10 и 16 (во втором варианте) с измерительным преобразователем электрического сигнала, состоящим из генератора 17 переменного напряжения, резистора 18, амплитудного детектора 19, усилителя 20 и триггера 21. Причем один из электродов подключен к входному выводу генератора 17 через резистор 18 и непосредственно к входу амплитудного детектора 19, а другой соединен с общей точкой генератора 17, усилителя 20 и триггера 21, вход которого связан с выходом усилителя 20, имеющего вход с выхода амплитудного детектора 19. Собственно электроды и, в частности, их электроконтактная часть могут быть изготовлены, например, в виде обособленных пластин или участков поверхности с гальваническим покрытием, например, на корпусе или электрододержателе из не проводящих электричество материалов.

Вихревой расходомер работает следующим образом.

При обтекании потоком текучей среды тела 3 обтекания в циркуляционном канале 2 возникает турбуленция с образованием вихрей Кармана, приводящих к знакопеременным пульсациям давления в зоне вихреобразования, которые согласно критерию Струхаля пропорциональны скорости потока измеряемой среды. Пульсации давления через каналы 5 и 6 или непосредственно в области вихреобразования (варианты на фиг.13 и 15) воздействуют на сенсорный элемент, заставляя его совершать колебательные движения относительно электрододержателя 7. В варианте с сенсорным элементом в виде оболочки 11 деформация последней приводит к изменению электрического сопротивления участка электропроводящей жидкости между электродами 8 и 9 в полости оболочки. В варианте с сенсорным элементом в виде цилиндрического кольца 13 сближение кольца с электродом или удаление его поверхности от электрода 10 приводит к аналогичному эффекту за счет изменения проводимости прилегающей к электроду 10 зоны в условиях эксплуатации с электропроводящей текучей средой.

При включении генератора 17 вследствие упомянутых колебаний электрического сопротивления между электродами изменяется коэффициент передачи делителя напряжения, образованного резистором 18 и сопротивлением электропроводящей среды (или жидкости) между электродами, что приводит к периодическому изменению амплитуды переменного напряжения на входах амплитудного детектора 19. Такой модулированный по амплитуде сигнал соответствует частоте колебаний сенсорного элемента (оболочки 11 или цилиндрического кольца 13). С выхода амплитудного детектора 19 выделенный модулированный сигнал через усилитель 20 поступает на триггер 21, откуда уже в форме прямоугольных импульсов напряжения считывается вычислительной системой (на чертеже не показана) и представляется средством отображения как скорость или расход текучей среды.

Таким образом, упомянутое техническое решение может быть реализовано для условий как с электропроводящими средами, так и со средами, не проводящими электричество. Кроме того, возможность исполнения элементов из различных конструкционных материалов обеспечивает требуемую надежность и точность измерений.

Формула изобретения

1. Вихревой расходомер, одержащий корпус с циркуляционным каналом для текучей среды, размещенные в циркуляционном канале тело обтекания и узел съема электрического сигнала с двумя электродами, электорододержателем и сенсорным элементом, установленным с возможностью изменения положения относительно электродов и изменения электрического сигнала на электродах под действием турбулентности текучей среды в области вихреобразования, создаваемой телом обтекания, и измерительный преобразователь электрического сигнала, отличающийся тем, что сенсорный элемент выполнен в виде упругодеформируемой оболочки из диэлектрического материала, закрепленной на поверхности электрододержателя с образованием полости, заполненной электропроводящей жидкостью.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что тело обтекания выполнено с камерой и двумя каналами, сообщающими камеру с различными зонами области вихреобразования в циркуляционном канале, при этом электрододержатель и сенсорный элемент расположены в упомянутой камере.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электрододержатель и сенсорный элемент установлены в циркуляционном канале в области вихреобразования, расположенной за телом обтекания в направлении по ходу потока текучей среды.

4. Вихревой расходомер, содержащий корпус с циркуляционным каналом для текучей среды, размещенные в циркуляционном канале тело обтекания и узел съема электрического сигнала с двумя электродами, электорододержателем одного из электродов и сенсорным элементом, установленным с возможностью изменения электрического сигнала на электродах под действием турбулентности текучей среды в области вихреобразования, создаваемой телом обтекания, и измерительный преобразователь электрического сигнала, отличающийся тем, что сенсорный элемент выполнен в виде цилиндрического кольца из материала с электропроводностью, неравной электропроводности текучей среды, установленного на электрододержателе с возможностью смещения относительно него, при этом другой электрод размещен на корпусе вне зоны вихреобразования.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что тело обтекания выполнено с камерой и двумя каналами, сообщающими камеру с различными зонами области вихреобразования в циркуляционном канале, при этом электрододержатель и сенсорный элемент расположены в упомянутой камере.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что электрододержатель и сенсорный элемент установлены в циркуляционном канале в области вихреобразования, расположенной за телом обтекания в направлении по ходу потока текучей среды.

7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что цилиндрическое кольцо выполнено из материала с плотностью, близкой плотности текучей среды.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16