Устройство для определения по меньшей мере одного параметра движущегося по трубопроводу потока текучей среды
Изобретение предназначено главным образом для определения массового расхода воздуха, поступающего в ДВС. Устройство имеет измерительную часть с корпусом, который в виде съемного блока вставлен в монтажное отверстие в стенке трубопровода. В корпусе выполнен байпасный канал, имеющий по меньшей мере одно сообщающееся с трубопроводом входное отверстие, по меньшей мере одно оканчивающееся в трубопроводе выходное отверстие и измерительный канал, в котором расположен измерительный элемент. Измерительный канал переходит в отклоняющий канал и вместе с ним имеет С-образную форму. На входном участке байпасного канала, расположенном по ходу потока за входным отверстием, поток полностью разделяется на два отдельных потока, первый из которых полностью втекает в измерительный канал, а второй полностью движется через по меньшей мере одно сепарационное отверстие. Изобретение простым путем обеспечивает оптимальную защиту измерительного элемента от попадания на него капелек жидкости и/или твердых частиц. 21 з.п. ф-лы, 4 ил.
Уровень техники
Настоящее изобретение относится к устройству в соответствии с ограничительной частью п.1 формулы изобретения.
Из заявки DE 19623334 А1, соответственно из патента US 6148663 известно устройство для определения массового расхода движущегося по трубопроводу потока текучей среды, имеющее расположенное в байпасном канале сепарационное отверстие, т.е. отверстие, предназначенное для отделения от потока текучей среды возможно присутствующих в нем примесей. Однако в таком устройстве возможно присутствующие в потоке текучей среды примеси в виде капелек жидкости или твердых частиц могут загрязнять или повредить измерительный элемент, поскольку они сначала проходят мимо измерительного элемента вместе с потоком текучей среды и лишь затем частично выводятся обратно в трубопровод через сепарационное отверстие.
В заявке DE 19815654 А1 описано устройство для определения массового расхода движущегося по трубопроводу потока текучей среды, в байпасном канале которого предусмотрен обеспечивающий разделение потока участок. Этот обеспечивающий разделение потока участок образован перегородкой, которая разделяет байпасный канал на измерительный канал и обводной канал.
Из патента US 4914947 известно устройство для определения массового расхода движущегося по трубопроводу потока текучей среды, в котором возможно присутствующие в потоке текучей среды загрязняющие примеси вытесняются под действием центробежных сил к внешним стенкам, что должно исключать их попадание в измерительный канал. Однако при небольшой или снижающейся (при выключении двигателя внутреннего сгорания) скорости потока текучей среды присутствующие в ней капельки жидкости могут под действием силы тяжести попасть во входное отверстие измерительного канала, а тем самым и на измерительный элемент и загрязнить его.
В патенте US 3314290 описан байпасный канал расходомера, разделяющийся на два выходных канала, вновь оканчивающихся в трубопроводе. Однако выходные отверстия таких выходных каналов расположены таким образом, что движущийся по байпасному каналу поток текучей среды выходит из этих выходных отверстий в направлении, параллельном направлению, в котором по трубопроводу движется основной поток текучей среды.
В описанном в патенте US 4887577 расходомере воздуха его байпасный канал разделяется на обеспечивающем разделение потока участке на два выходных канала, при этом на обеспечивающем разделение потока участке предусмотрен скругленный выступ. Однако размещенные в байпасном канале такого расходомера воздуха чувствительные элементы не защищены от попадания на них присутствующих в потоке текучей среды загрязняющих примесей.
В описанном в патенте US 5467648 расходомере воздуха на наружной стенке корпуса его измерительной части предусмотрены выступы, которые расположены по ходу потока перед боковыми выходными отверстиями байпасного канала, проходящего в этом корпусе измерительной части устройства. Однако и в этом случае размещенные в байпасном канале такого расходомера воздуха чувствительные элементы не защищены от попадания на них присутствующих в потоке текучей среды загрязняющих примесей.
В патенте US 4403506 описан расходомер воздуха с клиновидным элементом, обтекаемым потоком текучей среды и разделяющим его на два отдельных потока.
Преимущества изобретения
Преимущество предлагаемого в изобретении устройства с отличительными признаками п.1 формулы изобретения состоит по сравнению с известными из уровня техники устройствами в том, что оно позволяет простым путем предотвратить попадание капелек жидкости и/или твердых частиц в измерительный канал.
Предпочтительные варианты выполнения устройства, заявленного в п.1 формулы изобретения, приведены в зависимых пунктах формулы.
Один из таких предпочтительных вариантов выполнения предлагаемого в изобретении устройства представлен в п.2 формулы изобретения. Соответствующее этому варианту расположение сепарационного отверстия в байпасном канале обеспечивает оптимальную защиту измерительного элемента от попадания на него капелек жидкости или твердых частиц.
Преимущество, связанное с наличием обеспечивающего разделение потока участка на входном участке байпасного канала или в его входном отверстии, состоит в возможности изменять направление втекающего в байпасный канал потока текучей среды, что позволяет отводить вносимые в байпасный канал вместе с втекающим в него потоком текучей среды капельки жидкости или твердые частицы в сторону от входного отверстия измерительного канала в направлении сепарационного отверстия, исключая тем самым их попадание в измерительный канал.
На входном участке байпасного канала предпочтительно предусмотреть обеспечивающую отрыв потока кромку, на которой образующаяся на поверхности внутренней стенки байпасного канала пленка жидкости отделяется от нее и благодаря этому не может попасть по ней в измерительный канал.
Для повышения точности измерений измерительный канал предлагается выполнить сужающимся в зоне измерительного элемента.
Преимущество, связанное с наличием клиновидного выступа в обращенном по ходу потока конце входного участка байпасного канала, состоит в возможности повысить эффективность отвода капелек воды и твердых частиц в сторону сепарационных отверстий и предотвратить тем самым оседание воды или твердых частиц на подпорной стенке, расположенной в обращенном по ходу потока конце входного участка байпасного канала.
Помимо этого преимущество, связанное с созданием эффекта подсоса, состоит в интенсификации отсасывания воды и/или твердых частиц из обращенного по ходу потока конца входного участка байпасного канала. Достигается это за счет выполнения на наружной боковой поверхности корпуса измерительной части по меньшей мере одного уступа, расположенного по ходу потока перед сепарационным отверстием.
Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере некоторых вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые упрощенные чертежи, на которых показано:
на фиг.1a - первый вариант выполнения предлагаемого в изобретении устройства,
на фиг.1б - фрагмент предлагаемого в изобретении устройства в сечении плоскостью В-В по фиг.1а,
на фиг.2 - второй вариант выполнения предлагаемого в изобретении устройства,
на фиг.3 - третий вариант выполнения предлагаемого в изобретении устройства и
на фиг.4 - фрагмент предлагаемого устройства в сечении плоскостью IV-IV по фиг.3.
Описание вариантов осуществления изобретения
На фиг.1а и 1б показано предлагаемое в изобретении устройство 1, которое встроено в трубопровод 3, по которому движется поток текучей среды. Это устройство 1 для определения по меньшей мере одного параметра текучей среды состоит из измерительной части с корпусом 6 и не показанной на чертеже несущей части, в которой размещен, например, электронный блок обработки результатов измерений. Корпус 6 измерительной части вместе с несущей частью вставлен, например в виде съемного блока, в выполненное в стенке 15 трубопровода 3 монтажное отверстие 42. Стенка 15 трубопровода 3 ограничивает его проходное сечение. Несущая часть расположена, например, непосредственно у монтажного отверстия 42, при этом размещенный в ней электронный блок обработки может располагаться в пределах и/или за пределами проходного сечения трубопровода 3. В устройстве 1 может использоваться, например, измерительный (чувствительный) элемент 9, который расположен на его носителе 10 и который в качестве параметра потока текучей среды определяет, например, ее объемный расход. К другим возможным измеряемым параметрам потока текучей среды относятся, например, давление, температура, концентрация какого-либо компонента текучей среды или скорость ее потока, определяемые с помощью соответствующих датчиков. Корпус 6 измерительной части и несущая часть имеют в их осевом направлении, например, общую продольную ось 12, которая проходит, например, в направлении, в котором устройство 1 вставляется в трубопровод 3, и которая может, например, одновременно являться средней осью. Направление потока текучей среды, называемое ниже направлением основного потока, обозначено на чертеже соответствующими стрелками 18 и ориентировано в плоскости чертежа слева направо.
В корпусе 6 измерительной части выполнен байпасный канал 24, который имеет, например, на обращенной навстречу потоку стороне корпуса 6 измерительной части входное отверстие 21, которое, например, лежит в плоскости, перпендикулярной направлению 18 основного потока. Однако в принципе это входное отверстие 21 может также располагаться в плоскости, имеющей любую иную ориентацию относительно направления 18 основного потока. Через входное отверстие 21 текучая текучая среда втекает в байпасный канал 24, попадая в его входной участок 27, контуры которого обозначены на фиг.1а прерывистой линией. Из этого входного участка 27 текучая среда может перетекать только либо в измерительный канал 30, в котором расположен измерительный элемент 9, либо по меньшей мере в одно сепарационное отверстие 33, в котором от потока текучей среды, попавшей во входной участок байпасного канала, отделяются присутствующие в ней примеси и которое сообщается с трубопроводом 3. Иными словами, поток текучей среды, втекающий во входной участок 27, полностью разделяется в этом месте лишь на два отдельных потока. Первый из этих отдельных потоков полностью втекает в измерительный канал 30, а второй отдельный поток полностью движется по меньшей мере через одно сепарационное отверстие 33. Никаких иных каналов от измерительного канала не ответвляется. В потоке текучей среды присутствуют, например, капельки жидкости и/или твердые частицы, которые могут привести к загрязнению и/или повреждению измерительного элемента 9. Поэтому входной участок 27, например, на его обращенном по ходу потока конце 28 соединен по меньшей мере с одним сепарационным отверстием 33, через которое капельки жидкости и/или твердые частицы выводятся обратно в трубопровод 3. Сепарационное отверстие 33 расположено не на обращенном по ходу потока конце корпуса 6 измерительной части. Это сепарационное отверстие 33 расположено, например, в плоскости чертежа, т.е. сбоку корпуса 6 измерительной части в плоскости, параллельной направлению 18 основного потока. В принципе плоскость, в которой лежит сепарационное отверстие 33, может также располагаться под отличным от нуля градусов углом к направлению 18 основного потока.
Входное отверстие 21 имеет верхнюю в осевом направлении 12 кромку 36, ближайшую в этом осевом направлении 12 к измерительному элементу 9. Через эту верхнюю кромку 36 входного отверстия проходит верхняя плоскость 39, перпендикулярная плоскости чертежа и параллельная направлению 18 основного потока. Сепарационное отверстие 33 расположено в осевом направлении 12 ниже этой верхней плоскости 39, т.е. расположено в осевом направлении 12 ближе к осевому концу 43 корпуса 6 измерительной части. Байпасный канал 24 в зоне его входного отверстия 21 имеет такую форму, определяемую, например, изменяющим направление потока сужением 38, образованным, например, приливом или выступом 37, что втекающий в этот байпасный канал поток текучей среды отклоняется в сторону от верхней плоскости 39. Поскольку капельки жидкости и/или твердые частицы имеют бóльшие размеры и бóльшую плотность по сравнению с газообразной текучей средой, они движутся в осевом направлении 12 от верхней плоскости 39. При этом капельки жидкости и/или твердые частицы скапливаются в зоне сепарационного отверстия 33, поскольку оно расположено ниже верхней плоскости 39, и проходящим мимо этого сепарационного отверстия по трубопроводу 3 потоком воздуха засасываются обратно в трубопровод 3.
От входного участка 27 по ходу потока за его изменяющим направление потока сужением 38 начинается измерительный канал 30, который сначала проходит, например, в осевом направлении 12 в сторону монтажного отверстия 42. В начале измерительного канала 30 вблизи входного участка 27 имеется первое сужение 45, обеспечивающее ускорение потока текучей среды, которой в рассматриваемом случае является воздух и которая в результате принудительно всасывается в измерительный канал из входного участка 27. За этим первым сужением 45 поток текучей среды изменяет направление своего движения в измерительном канале 30 и движется затем, например, примерно в направлении 18 основного потока мимо измерительного элемента 9. В зоне измерительного элемента 9 в измерительном канале 30 предусмотрено, например, второе сужение 48. Первое 45, соответственно второе 48 сужение может быть образовано за счет взаимного сближения ограничивающих измерительный канал 30 боковых поверхностей по всему его внутреннему периметру либо только на части его внутреннего периметра. По ходу потока за измерительным элементом 9 поток текучей среды попадает в отклоняющий канал 51, который сначала проходит, например, в осевом направлении 12 от монтажного отверстия 42, затем, поворачивая, проходит, например, навстречу направлению 18 основного потока и в завершение оканчивается в трубопроводе 3 выходным отверстием 54, которое лежит, например, в плоскости, расположенной перпендикулярно направлению 18 основного потока или под отличным от нуля углом к направлению 18 основного потока. Измерительный канал 30 вместе с отклоняющим каналом 51, таким образом, имеют, например, С-образную форму, обращенную ее разомкнутой частью навстречу направлению 18 основного потока.
На фиг.1б в сечении плоскостью В-В по фиг.1а показан участок, на котором расположен измерительный элемент 9. При этом второе сужение 48 образовано, например, стенкой 57 измерительного канала 30, которая за счет придания ей, например, обтекаемой формы плавно уменьшает проходное сечение измерительного канала 30. По ходу потока за измерительным элементом 9 проходное сечение измерительного канала 30 резко увеличивается. В этом месте поток текучей среды движется в осевом направлении 12 в отклоняющий канал 51. Корпус 6 измерительной части закрыт, например, пластиной 55, в которой имеется еще одно сепарационное отверстие 33, которое, если смотреть в направлении, перпендикулярном плоскости чертежа, расположено напротив показанного на фиг.1а сепарационного отверстия 33.
На фиг.2 показан второй вариант выполнения предлагаемого в изобретении устройства 1. В этом варианте, например, не предусмотрено второе сужение в зоне измерительного элемента 9. Байпасный канал 24 сужается по его проходному сечению начиная от входного отверстия 21 в направлении 18 основного потока. По ходу потока за входным отверстием 21 в зоне верхней плоскости 39 на внутренней стенке 58 байпасного канала 24 имеется обращенная к осевому концу 43 обеспечивающая отрыв потока кромка 60. Попадающие с потоком текучей среды в байпасный канал 24 капельки жидкости могут образовывать на его внутренней стенке 58 пленку жидкости, которая также может, например, попадать в измерительный канал 30 против силы тяжести. Во избежание подобного нежелательного эффекта в зоне входного отверстия 63 измерительного канала и предусмотрена обеспечивающая отрыв потока кромка 60, которая обеспечивает отрыв возможно образовавшейся пленки жидкости от стенки байпасного канала и тем самым исключает возможность попадания этой пленки жидкости в измерительный канал 30. При этом капельки жидкости, образующиеся в результате отрыва пленки жидкости от стенки байпасного канала на обеспечивающей подобный отрыв потока кромке 60, движутся благодаря особой геометрической форме входного участка 27, которую он имеет в зоне входного отверстия 21, в сторону сепарационного отверстия 33. В этом варианте сепарационное отверстие 33 соединяет входной участок 27 с отклоняющим каналом 51.
На фиг.3 показан третий вариант выполнения предлагаемого в изобретении устройства 1. В этом варианте на входном участке 27 предусмотрена по меньшей мере одна перегородка 69, которая начиная от входного отверстия 21 или же начиная по ходу потока за этим входным отверстием 21 по меньшей мере частично проходит во входной участок 27 байпасного канала. Такая перегородка 69, которая выполнена, например, пластинчатой формы, имеет с ее обращенной навстречу потоку стороны разделяющий поток текучей среды участок 66 и образует с направлением 18 основного потока отличный от нуля градусов угол пересечения α. Благодаря подобному расположению перегородки 69 поперек потока текучей среды втекающий во входное отверстие 21 поток текучей среды целенаправленно отклоняется в противоположную от входного отверстия 63 измерительного канала сторону в направлении сепарационного отверстия 33. Благодаря этому усиливается эффект, снижающий возможность попадания капелек жидкости или твердых частиц в измерительный канал 30.
Следует отметить, что конструктивно и/или функционально идентичные элементы обозначены на всех чертежах одними и теми же позициями.
На фиг.4 показан следующий вариант выполнения предлагаемого в изобретении устройства 1, которое изображено в сечении плоскостью IV-IV по фиг.3. В обращенном по ходу потока конце 28 входного участка 27 на внутренней стенке 87 корпуса измерительной части, которая (стенка) расположена, например, в плоскости проекции на нее входного отверстия 21 в направлении 18 основного потока, выполнен клиновидный выступ 72. Однако в любом случае внутренняя стенка 87 корпуса измерительной части расположена вблизи сепарационного отверстия 33. Клиновидный выступ 72 в его разрезе плоскостью, перпендикулярной средней оси 12, имеет, например, треугольную форму. Однако боковые поверхности 78 клиновидного выступа 72 могут также иметь вогнуто-изогнутую форму. На обращенном навстречу потоку конце клиновидный выступ 72 имеет, например, по меньшей мере одну заостренную вершину 75. Наличие подобного клиновидного выступа 72 и/или заостренной вершины 75 исключает возможность скопления воды или твердых частиц у подпорной стенки, т.е. у внутренней стенки 87 корпуса измерительной части, не имеющей в соответствии с уровнем техники подобного клиновидного выступа в обращенном по ходу потока конце 28 входного участка байпасного канала, поскольку такой клиновидный выступ 72 и/или такая заостренная вершина 75 препятствуют образованию на стенках пленки жидкости. Помимо этого клиновидный выступ 78 отклоняет капельки воды или твердые частицы в сторону сепарационных отверстий 33. Кроме того, за счет создаваемого в этом месте эффекта подсоса интенсифицируется отсасывание воды и/или твердых частиц из обращенного по ходу потока конца 28 входного участка 27 байпасного канала. Достигается это помимо прочего за счет выполнения на наружной боковой поверхности 81 корпуса 6 измерительной части по меньшей мере одного уступа 84, расположенного по ходу потока перед сепарационным отверстием 33. Наружная поверхность этого уступа 84 имеет, например, обтекаемую или плавно изогнутую форму. В зоне сепарационного отверстия 33 этому уступу придана такая форма, которая обеспечивает создание области разрежения (отрыва потока) и тем самым эффекта подсоса, действующего на поток текучей среды в обращенном по ходу потока конце 28 входного участка 27 байпасного канала. Клиновидный выступ разделяет, кроме того, обращенный по ходу потока конец 28 входного участка байпасного канала на два проходящих к каждому из сепарационных отверстий 33 сепарационных канала 90, которые за счет придания им определенной формы обеспечивают ускорение потока текучей среды в этом обращенном по ходу потока конце 28 входного участка байпасного канала. Внутренняя стенка 87 корпуса измерительной части имеет, например, в зоне сепарационного отверстия 33 скошенную в направлении потока текучей среды фаску 93, уменьшающую площадь поверхности этой внутренней стенки 87, на которой могут оседать вода и/или твердые частицы.
Плоскость, в которой лежит сепарационное отверстие 33, может располагаться под любым углом к направлению 18 основного потока. Этот угол можно регулировать, например, целенаправленным изменением толщины d корпуса 6 измерительной части на обращенном по ходу потока конце сепарационного отверстия 33, измеряемой в направлении, перпендикулярном средней оси 12 и перпендикулярном направлению 18 основного потока, относительно протяженности а корпуса 6 измерительной части, измеряемой в этом же направлении, но по ходу потока перед сепарационным отверстием 33.
1. Устройство для определения по меньшей мере одного параметра потока текучей среды, движущегося по трубопроводу в направлении основного потока, прежде всего массового расхода впускаемого в двигатель внутреннего сгорания воздуха, имеющее по меньшей мере один обтекаемый потоком текучей среды измерительный элемент и байпасный канал, который имеет по меньшей мере одно сообщающееся с трубопроводом входное отверстие и по меньшей мере одно оканчивающееся в этом трубопроводе выходное отверстие, а также имеет измерительный канал, в котором расположен указанный измерительный элемент, и расположенный по ходу потока за входным отверстием входной участок, отличающееся тем, что поток текучей среды полностью разделяется на входном участке (27) байпасного канала на два отдельных потока, первый из которых полностью втекает в измерительный канал (30), а второй полностью движется через по меньшей мере одно сепарационное отверстие (33).
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что входное отверстие (21) байпасного канала имеет в осевом направлении (12), перпендикулярном направлению (18) основного потока, ближайшую к измерительному элементу (9) верхнюю границу (36), через эту верхнюю границу (36) входного отверстия (21) проходит верхняя плоскость (39), перпендикулярная плоскости чертежа и параллельная направлению (18) основного потока, и в байпасном канале (24) предусмотрено по меньшей мере одно сепарационное отверстие (33), которое в осевом направлении (12) расположено на большем удалении от измерительного элемента (9), чем указанная верхняя плоскость (39).
3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что байпасный канал (24) имеет в его входном отверстии (21) или по ходу потока за ним по меньшей мере один разделяющий поток текучей среды участок (66).
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на входном участке (27) байпасного канала имеется обеспечивающая отрыв потока кромка (60).
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что измерительный канал (30) сужается в зоне измерительного элемента (9).
6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сепарационное отверстие (33) соединяет входной участок (27) байпасного канала с трубопроводом (3).
7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что измерительный канал (30) переходит в отклоняющий канал (51), а сепарационное отверстие (33) соединяет входной участок (27) байпасного канала с этим отклоняющим каналом (51).
8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что плоскость, в которой лежит сепарационное отверстие (33), расположена под отличным от нуля градусов углом к направлению (18) основного потока.
9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что направление (18) основного потока проходит параллельно плоскости, в которой лежит сепарационное отверстие (33).
10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что направление (18) основного потока проходит параллельно плоскости, в которой лежит выходное отверстие (54) байпасного канала.
11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что плоскость, в которой лежит выходное отверстие (54) байпасного канала, расположена под отличным от нуля градусов углом к направлению (18) движущегося по трубопроводу (3) основного потока текучей среды.
12. Устройство по п.1 или 7, отличающееся тем, что измерительный канал (30) переходит в отклоняющий канал (51), при этом измерительный канал (30) вместе с отклоняющим каналом (51) имеют С-образную форму, обращенную ее разомкнутой частью навстречу направлению (18) основного потока.
13. Устройство по п.1, отличающееся тем, что байпасный канал (24) по ходу потока за его входным отверстием (21) выполнен в виде изменяющего направление потока элемента.
14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что в качестве изменяющего направление потока элемента в байпасном канале (24) предусмотрен расположенный по ходу потока за его входным отверстием (21) прилив или выступ.
15. Устройство по пп.1, 4 или 6, отличающееся тем, что входной участок (27) байпасного канала имеет обращенный по ходу потока конец (28), в котором расположен по меньшей мере один клиновидный выступ (72).
16. Устройство по п.15, отличающееся тем, что клиновидный выступ (72) имеет на его обращенном навстречу потоку конце по меньшей мере одну заостренную вершину (75).
17. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что байпасный канал (24) расположен в корпусе (6) измерительной части, по меньшей мере на одной наружной боковой поверхности (81) которого по ходу потока перед сепарационным отверстием (33) предусмотрен по меньшей мере один уступ (84).
18. Устройство по любому из пп.1, 2 и 6-9, отличающееся тем, что направление (18) основного потока текучей среды проходит параллельно плоскости, в которой лежит сепарационное отверстие (33).
19. Устройство по любому из пп.1, 2 и 6-9, отличающееся тем, что направление (18) основного потока текучей среды образует с плоскостью, в которой лежит сепарационное отверстие (33), отличный от нуля градусов угол пересечения.
20. Устройство по п.15, отличающееся тем, что клиновидный выступ (72) имеет треугольную в разрезе форму.
21. Устройство по п.15, отличающееся тем, что боковые поверхности (78) клиновидного выступа (72) имеют вогнуто изогнутую форму.
22. Устройство по любому из пп.1, 2 и 6-9, отличающееся тем, что на внутренней стенке (87) корпуса измерительной части в зоне сепарационного отверстия (33) имеется фаска (93).
Приоритет по пунктам
20.04.2001 по пп.1-14;
19.07.2001 по пп.15-22.
