Счетчик расхода газа

Реферат

 

Изобретение относится к измерительной технике. Счетчик расхода содержит ротаметр с цилиндрической измерительной трубкой, поплавок кольцевой формы, электронную измерительную схему. Через центральное отверстие в поплавке проходит центральный конус, к поверхности которого прилегает конусная боковая внутренняя стенка поплавка при нижнем положении последнего. Трубка, поплавок и конус, выполненные из электропроводного материала, являются обкладками емкостного преобразователя перемещения поплавка и для предотвращения электрического замыкания покрыты изоляционным слоем. Электронная измерительная схема состоит из высокочастотного автогенератора, в задающую RC-цепочку которого в качестве емкости включен емкостный преобразователь перемещения поплавка. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения при одновременном упрощении конструкции. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения расхода жидких и газообразных сред и, в частности, для измерения расхода природного газа.

Известно множество конструкций первичных преобразователей расхода жидких и газообразных сред, основанных на различных физических принципах. В том числе: на основе измерения перепада давления в специальном сужающем устройстве (диафрагма, труба Вентури), вставляемом в магистраль; на основе измерения напора движущейся среды при столкновении с преградой различной формы, помещаемой в магистраль (измеряется сила воздействия потока среды на преграду); на основе измерения скорости вращения турбинки, обтекаемой потоком жидкости или газа; на основе измерения высоты подъема поплавка в конической или цилиндрической трубке под напором потока жидкости или газа (при подъеме поплавка увеличивается кольцевой просвет между поплавком и стенками конической трубки или конической насадкой, проходящей через центральное отверстие поплавка); на основе измерения частоты образования вихрей при обтекании средой плохообтекаемого тела, помещаемого в поток среды (эта частота оказывается пропорциональной скорости потока); на основе измерения электрического сопротивления терморезистора, помещаемого в поток контролируемой среды и подогреваемого проходящим по нему электрическим током, и др. [1, 2].

Для построения счетчика расхода газа с широким диапазоном измеряемых расходов и особенно малых расходов (бытового назначения) наиболее удобно использовать ротаметрические первичные преобразователи, основанные на методе перепада давления. Это уже упоминавшиеся преобразователи, в которых под действием потока контролируемой среды на обтекаемое им тело (поплавок) последний поднимается на определенную высоту, зависящую от скорости потока (мгновенного расхода). В [1, с.228-233] описываются две наиболее широко используемые конструкции поплавковых ротаметров: с конической измерительной трубкой и цилиндрической измерительной трубкой и коаксиально размещенным в ней конусом. Для преобразования положения поплавка в электрический сигнал может использоваться дифференциально-трансформаторный преобразователь, подвижный сердечник которого соединен штоком с поплавком [1. c.232, рис. 7.16 в], магнитоиндукционный метод [3], система герконов, включаемых постоянным магнитом, встроенным в поплавок [4], или емкостный метод [5].

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является емкостный ротаметр по а.с. №1682792 [5]. Он состоит из конической трубки, выполненной из диэлектрического материала, внутри которой размещен поплавок таким образом, что в крайнем нижнем положении он полностью перекрывает нижнее (меньшее) отверстие конической трубки. Под напором потока газа, подводимого снизу, поплавок поднимается на определенную высоту, и между ним и внутренней поверхностью трубки образуется кольцевой зазор, через который и проходит поток газа. Площадь этого зазора будет пропорциональна высоте подъема поплавка, которая, в свою очередь, зависит от скорости потока газа (т.е. его расхода). Эта высота будет соответствовать моменту наступления равновесия между действующей на поплавок подъемной силой потока газа и весом поплавка. Чтобы стабилизировать положение поплавка по оси конусной трубки при его подъеме, на боковой поверхности поплавка выполняются косые канавки, проходя через которые газ придает поплавку вращательное движение, а его центр тяжести находится ниже сечения с максимальной площадью, что предохраняет его от опрокидывания. На наружной поверхности конусной трубки размещены три обкладки дифференциального емкостного преобразователя, одна из которых имеет вытянутую прямоугольную форму и расположена вдоль образующей конусной трубки, а две другие - треугольную, причем треугольные обкладки размещаются по обе стороны от прямоугольной так, что их высотные стороны находятся на одинаковом расстоянии от прямоугольной обкладки и параллельны ей, а их основания расположены в противоположных направлениях (одно снизу, другое сверху). Поплавок выполнен из диэлектрического материала с высокой диэлектрической проницаемостью. Поэтому при его подъеме обе емкости дифференциального емкостного преобразователя, измеряемые между прямоугольной обкладкой и каждой из треугольных, будут изменяться (одна увеличиваться, а другая уменьшаться).

Основными недостатками описанного ротаметра являются малая величина измеряемых емкостей (по прикидочным расчетам - меньше одной пикофарады) и недостаточная чувствительность емкостного преобразователя. Малая величина измеряемых емкостей определяется большим расстоянием между прямоугольной и треугольными обкладками (особенно между противолежащими прямоугольной обкладке сторонами треугольных обкладок). А малая чувствительность определяется слабой зависимостью этих емкостей от положения поплавка. Действительно, даже если выполнить поплавок из конденсаторной керамики с относительной диэлектрической проницаемостью порядка 100 (все остальные диэлектрические твердые материалы, включая полимерные, имеют диэлектрическую проницаемость от 2 до 8), то и в этом случае основная доля емкостей между прямоугольной и треугольными пластинами будет определяться силовыми линиями электростатических полей рассеяния, замыкающимися между высотными сторонами треугольных обкладок, находящимися в непосредственной близости от прямоугольной обкладки, причем эти силовые линии будут замыкаться не через поплавок, а через материал трубы и воздушный зазор. Более того, по мере подъема поплавка радиальный зазор между обкладками и поплавком будет увеличиваться, а значит, влияние поплавка на эти емкости будет ослабляться еще сильнее. Это, кстати, приведет к нелинейности функции преобразования емкостного преобразователя. Все эти недостатки резко ухудшают точность измерения расхода газа.

Техническими задачами, на решение которых направлено предлагаемое изобретение, являются: резкое повышение чувствительности датчика расхода, увеличение величины емкости емкостного преобразователя перемещения поплавка и, как следствие, повышение точности измерения расхода газа, а также упрощение конструкции и технологичности поплавкового ротаметра, являющегося датчиком мгновенного расхода газа в рассматриваемом счетчике расхода газа. Эти задачи решаются путем использования поплавкового ротаметра с цилиндрической измерительной трубкой, центральным конусом и поплавком с центральным отверстием, через которое проходит конус, емкостного преобразователя перемещения поплавка и электронной измерительной схемы, причем измерительная трубка, поплавок и центральный конус выполнены из электропроводного материала и являются обкладками емкостного преобразователя перемещения поплавка, поплавок имеет конусную боковую внутреннюю стенку, прилегающую к центральному конусу при нижнем положении поплавка, а емкость, образованная последовательным соединением емкостей между внутренней боковой поверхностью поплавка и конусом и между наружной боковой поверхностью поплавка и цилиндрической измерительной трубкой, включена в задающую RC-цепочку высокочастотного автогенератора, выход которого подключен к последовательному порту микроЭВМ, а выход микроЭВМ соединен с цифровым индикатором.

Устройство поплавкового ротаметра показано на фиг.1 (а), эквивалентная схема емкостного преобразователя перемещения поплавка - на фиг.1 (б), а измерительная схема счетчика расхода газа - на фиг.2. Поплавковый ротаметр состоит из цилиндрической измерительной трубки 1, центрального конуса 2 и поплавка 3 кольцевой формы с конусной боковой внутренней стенкой, прилегающей к центральному конусу 2, при нижнем положении поплавка, причем и цилиндрическая измерительная трубка 1, и центральный конус 2, и поплавок 3 выполнены из электропроводного материала, а для предотвращения электрического замыкания между ними поверхности поплавка покрыты изоляционным слоем, а центральный конус крепится с помощью диэлектрической втулки со сквозными отверстиями для прохода газа.

Измерительная схема (фиг.2) состоит из высокочастотного автогенератора 4, микроЭВМ 5 и цифрового индикатора 6, причем в задающую RC-цепочку высокочастотного автогенератора в качестве емкости включен емкостный преобразователь перемещения поплавка, образованный последовательным соединением емкостей между внутренней стенкой поплавка и центральным конусом и между наружной стенкой поплавка и цилиндрической измерительной трубкой, а выход автогенератора 4 подключен к последовательному (т.е. однобитовому) порту микроЭВМ 5, а ее выход - к цифровому индикатору 6.

Счетчик расхода газа работает следующим образом. Поплавковый ротаметр встраивается в газовую магистраль строго вертикально так, чтобы поток газа был направлен снизу (по стрелкам на фиг.1). При нулевом расходе газа давление снизу и сверху поплавка 3 одинаково и поплавок под собственным весом опускается в крайнее нижнее положение, при котором кольцевой зазор между поплавком 3 и центральным конусом 2 равен нулю. При наличии расхода газа давление сверху поплавка падает и под напором газового потока снизу поплавок поднимается на такую высоту, на которой напор газа снизу уравновешивается весом поплавка и уменьшившимся давлением газа сверху поплавка (см. [1. с.228-231]). При подъеме поплавка емкость Cв между внутренней боковой стенкой поплавка 3 и центральным конусом 2 будет уменьшаться за счет увеличения кольцевого зазора между ними. Емкость Сн между наружной боковой стенкой поплавка и цилиндрической измерительной трубкой 1 будет оставаться неизменной, т.к. при перемещении поплавка 3 и величина зазора, и площадь перекрытия электродов этой емкости не меняются. Следовательно, общая емкость между центральным конусом 2 и цилиндрической измерительной трубкой 1 будет представлять собой последовательное соединение двух вышеуказанных емкостей. А поскольку емкость Св даже при нижнем положении поплавка (когда эта емкость максимальна) много меньше, чем последовательно с ней соединенная емкость Сн (т.к. площадь перекрытия электродов последней емкости существенно больше площади перекрытия электродов первой из них при одинаковых величинах зазора), то изменения общей емкости Сизм между цилиндрической измерительной трубкой 1 и центральным конусом 2 будут определяться изменениями меньшей из последовательно соединенных емкостей, т.е. емкости Св. Можно показать, что при перемещении поплавка из крайнего нижнего в крайнее верхнее положение изменение этой емкости будет весьма значительным. Считая поле однородным в воздушном зазоре между внутренней боковой стенкой поплавка 3 и центральным конусом 2 и учитывая, что высота поплавка 3 много меньше высоты центрального конуса 2, для прикидочного расчета можно воспользоваться формулой для емкости цилиндрического конденсатора [6, с.45]:

,

где h - высота поплавка;

и 0 - соответственно относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика, разделяющего обкладки конденсатора, и абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума;

D и d - соответственно диаметры внешнего и внутреннего цилиндров (в нашем случае это диаметры соответственно внутренней боковой стенки поплавка 3 и центрального конуса 2 в среднем сечении поплавка).

Поскольку при перемещении поплавка величины h, D и остаются неизменными и меняется только диаметр d сечения центрального конуса 2, соответствующего положению среднего сечения поплавка 3, то для определения относительного изменения этой емкости при крайних положениях поплавка 3 достаточно подсчитать соответствующие отношения этих диаметров.

При крайнем нижнем положении поплавка 3 внутренняя его стенка прилегает к поверхности центрального конуса 2 и их разделяет только изоляционный слой, максимальную толщину которого можно принять равной 0,5 мм (если поплавок изготовить из алюминиевого сплава и для изоляции оксидировать его поверхности, то толщина этого слоя будет еще меньше). Приняв D=20 мм, получим dн=19 мм и D/dн=1,0526, a ln(D/dн)=0,05126.

При крайнем верхнем положении поплавка 3 примем dв=6 мм и соответственно D/dв=3,333 и ln(D/dв)=1,204.

Отношение Cвн составит 23,5.

Реально изменение емкости окажется меньше, т.к. измеряемая емкость Сизм между центральным конусом 2 и цилиндрической измерительной трубкой 1 будет определяться не только емкостями, образованными зазорами между боковыми поверхностями поплавка 3 с данными элементами, но и постоянной распределенной емкостью между цилиндрической измерительной трубкой и центральным конусом за счет полей, замыкающихся выше и ниже поплавка 3 при его произвольном расположении. Приближенно эту емкость можно оценить по той же формуле, задавшись диаметром (внутренним) Dm цилиндрической измерительной трубки 1 и ее высотой Нm. Если принять Dm=50 мм и Нm=100 мм, то взяв d, соответствующее среднему сечению центрального конуса 2, равное d=(20+6)/2=13 мм, получим

.

При тех же размерах и высоте поплавка h=10 мм составляющая полезной емкости (через поплавок) между внутренней боковой стенкой поплавка 3 и центральным конусом 2 при нижнем положении поплавка Свн будет

;

при верхнем положении поплавка

;

а емкость Сн между наружной боковой поверхностью поплавка 3 и цилиндрической измерительной трубкой 1 (она не зависит от положения поплавка) будет

.

Таким образом, при данных размерах ротаметра измеряемая емкость составит при нижнем положении поплавка

,

а при верхнем

.

Следовательно, при крайних положениях поплавка измеряемая емкость будет изменяться в Сизм.низм.в=2,6 раза.

Как видим, из-за влияния распределенной емкости С0 полезное изменение измеряемой емкости существенно уменьшается, а функция преобразования емкостного преобразователя перемещения поплавка становится нелинейной (вначале чувствительность высокая, а затем по мере подъема поплавка, когда доля распределенной емкости С0 в общей измеряемой емкости становится превалирующей, она падает). Для уменьшения нелинейности функции преобразования необходимо увеличивать диаметр цилиндрической измерительной трубки 1 и использовать усеченный центральный конус 2 с тем, чтобы при верхнем положении поплавка 3 величина изменяющейся составляющей емкости Св была бы сопоставима с величиной распределенной емкости С0.

В качестве измерительной схемы должна быть использована схема, позволяющая заземлять одну из обкладок измеряемой емкости (цилиндрическую измерительную трубку 1), т.к. в этом случае не понадобится дополнительного экранирования емкостного преобразователя (сама цилиндрическая измерительная трубка 1 будет служить экраном).

Для удобства построения счетчика расхода газа и повышения точности измерений желательно применять измерительную схему с частотным выходом. Такой схемой может служить высокочастотный автогенератор, в задающую RC-цепочку которого включен емкостный преобразователь перемещения поплавка. Частота автогенератора может измеряться программно с помощью микроЭВМ, которая осуществляет преобразование измеренной частоты в текущее значение расхода газа и накопление расхода за любой интервал времени. Такая измерительная схема изображена на фиг.2. На ней емкостный преобразователь перемещения поплавка обозначен как емкость Сизм, включенная в задающую RC-цепочку автогенератора 4, а выход автогенератора 4 подключен к последовательному (однобитовому) порту микроЭВМ 5, выход которой подключен к цифровому индикатору 6. Диапазон измеряемых частот при этом должен выбираться в соответствии с быстродействием используемой микроЭВМ. МикроЭВМ 5 программно измеряет частоту сигнала, поступающего с выхода автогенератора 4, и преобразует ее в значения мгновенного объемного расхода газа по тарировочной характеристике, занесенной в память микроЭВМ 5. Суммируя мгновенные расходы газа через равные интервалы времени (1 с), она определяет суммарный расход газа за любые интервалы времени и индицирует его на цифровом индикаторе 6. Вспомогательные и сервисные функции, выполняемые микроЭВМ, здесь не рассматриваются. Для уменьшения влияния сетевой помехи целесообразно время измерения частоты выбирать кратным периоду промышленной сети (20 мс).

Таким образом, при упрощении конструкции и повышении технологичности изготовления поплавкового ротаметра достигнуты: существенное повышение его чувствительности, увеличение абсолютных значений емкости емкостного преобразователя перемещения поплавка, а значит, и повышение точности измерения расхода газа. Следовательно, все поставленные технические задачи решены.

Литература

1. Фарзане Н.Г., Илясов Л.В., Азим-заде А.Ю. Технологические измерения и приборы: Учебник для вузов. - М.: Высшая школа. 1989. - 456 с.

2. Спектор С.А. Электрические измерения физических величин: Методы измерений: Учеб. пособие для вузов. - Л.: Энергоатомиздат, 1987. - 320 с.

3. А.с. № 595625, СССР. Ротаметр. / Брюханов Б.К., Григоровский Б.К. Завьялов В.Г. Опубл. 28.02.1978, Бюл. № 8.

4. А.с. № 792076, СССР. Ротаметр. / Колмыков С.П., Тарханов О.В. Опубл. 30.12.1980, Бюл. № 48.

5. А.с. № 1682792, СССР. Емкостный ротаметр. / Дубровский М.Г., Зеленин А.Н. Опубл. 07.10.1991, Бюл. № 37.

6. Туричин А.М. Электрические измерения неэлектрических величин. Изд. 4. - М.-Л.: Энергия, 1966. - 690 с.

Формула изобретения

1. Счетчик расхода газа, содержащий ротаметр с измерительной трубкой, поплавок, емкостной преобразователь перемещения поплавка и электронную измерительную схему, отличающийся тем, что он снабжен центральным конусом, проходящим через центральное отверстие в поплавке кольцевой формы, конусная боковая внутренняя стенка которого прилегает к поверхности центрального конуса при нижнем положении поплавка, измерительная трубка, выполненная цилиндрической, поплавок и центральный конус выполнены из электропроводного материала и являются обкладками емкостного преобразователя перемещения поплавка, а для предотвращения электрического замыкания между цилиндрической измерительной трубкой, центральным конусом и поплавком их поверхности покрыты изоляционным слоем.

2. Счетчик расхода газа по п.1, отличающийся тем, что его электронная измерительная схема состоит из высокочастотного автогенератора, микроЭВМ и цифрового индикатора, причем в задающую RC-цепочку высокочастотного автогенератора в качестве емкости включен емкостной преобразователь перемещения поплавка, образованный последовательным соединением емкостей между внутренней боковой стенкой поплавка и центральным конусом и между наружной боковой стенкой поплавка и цилиндрической измерительной трубкой, а выход автогенератора подключен к последовательному порту микроЭВМ, выход которой подключен к цифровому индикатору.

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2