Список литературы

1. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества; очник – 4е изд. перераб.и доп. – Л.; Машиностроение, 1989. – 701 с.

2. Теплосчетчик – расходомер Патент RU 2124188, МПК G01K 17/08./ С.С. Баталов, В.Я. Черепанов. Опубл. 27.12.1988.

3. Теплосчетчик – расходомер Патент RU 2153599, МПК G01K 17/08./ С.С. Баталов, В.Я. Черепанов. Опубл. 10.07.2000.

4. Устройство для измерения количества тепловой энергии, передаваемой водой горячего водоснабжения. Патент RU 2189572, МПК G01K 17/08./ В.А. Гончаров, В.Ю. Каралюн. Опубл. 20.09.2002.

5. Макаренко Л.В. Генераторный расходомер жидкости. // Материалы Междунар. науч. – практ. конф. “Наука, образование, общество: проблемы и перспективы развития”. Тамбов Изд-во ТРОО “Бизнес – наука - общество”,2013.

В.А.Макурина Студентка группы ТЭг-113 Научный руководитель: к.т.н, проф. Л.Н.Шарыгин Владимирский государственный университет

Шариковый расходомер

Шариковыми расходомерами тахометрические расходомеры, подвижный элемент которых шарик – непрерывно двигается по кругу. Это движение обеспечивается или винтовым направляющим аппаратом, закручивающим поток, тангенциальным подводом измеряемого вещества.

На рис.1 показаны основные типы преобразователей шариковых расходомеров.

Рис.1. Основные типы первичных преобразователей шариковых расходомеров.

Основное применение получил преобразователь (рис.1,а) с винтовым направляющим аппаратом 1. Поток, закрученный в последнем, приводит в движение ферромагнитный шарик 5 по окружности трубы. Частота вращения шарика по кругу преобразуется в электрический частотный сигнал индукционным или индуктивным преобразователем 2. Ограничительное кольцо 3 удерживает шарик от перемещения вдоль оси трубы. Для выпрямления потока на выходе служат неподвижные лопасти 4. Преобразователи с тангенциальным подводом измеряемого вещества (рис.1,б,в) применяются измерением малых расходов. Они проще и опасность засорения у них меньше. Во всех случаях шар под действием центробежной силы прижимается к внутренней поверхности трубы (рис.1,а) или камеры (рис.1,б,в), а под действием осевой скорости потока (рис.1,а) или веса (рис.1,б,в) – к ограничительному кольцу. При этом возникают силы механического трения, которые вместе с вязкостным трением жидкости тормозят шар. В результате окружная скорость центра шара отстаёт от соответствующей окружной скорости потока V. Это отставание оценивается скольжением

(1)

Очевидно , а , (2)

где – объемный расход,

– коэффициент пропорциональности,

- частота электрических импульсов в тахометрическом преобразователе,

– радиус вращения центра шара.

Совместное решение уравнений (1) и (2) даёт

. (3)

Как показывает формула (3) пропорциональность между и реализуется только при постоянстве скольжения , которое в значительной степени зависит от постоянства коэффициента лобового сопротивления шара , определяемого из выражения

, (4)

где – давление жидкости на шар диаметром ,

- плотность жидкости .

Расчеты показывают [2], что наибольшее постоянство координат сохраняет в области чисел Рейнольдса от до . Уменьшение массы шарика снижает скольжение и улучшает пропорциональность между и . Испытания двух шариков, имевших и массу 24 и 2г, дали соответственно значения 10 и 2 .

Отмеченные особенности шариковых расходомеров нашли отражение в известных конструкциях НИИтеплоприбор – «Сатурн», «Шторм-8А», «Шторм-32М», ШРТ и фирмы Bopp Reuter. Во всех случаях шар выполнен из ферромагнитного материала и имеет достаточно большую массу. Вторичные преобразователи индукционного или индуктивного типа не позволяют получить большей крутизны фронтов электрических импульсов, что снижает точность измерения расхода. Расходомеры фирмы Bopp Reuter и расходомер ШРТ НИИтеплоприбора выполнены с тангенциальным подводом измеряемого вещества и не учитывают кольцевой поток в первичном преобразователе, поэтому они измеряют усредненное значение нестационарных потоков, т.е не выявляют функцию расхода

Предлагаем основные конструктивные решения, устраняющие недостатки известных расходомеров. На рис.2 дан разрез первичного преобразователя; на рис.3 приведена функциональная схема расходомера.

Рис.2 Разрез по плоскости стыка корпуса первичного преобразователя

Рис.3 Функциональная схема расходомера

Корпус первичного преобразователя выполнен из двух симметричных полукорпусов 1 с образованием кольцевого канала 2круглого сечения. Для наглядности на рис.2 плоскость стыка полукорпусов заштрихована. С кольцевым каналом соединены каналы 3,4 патрубков 5,6 для подключения внешних трубопроводов. Заметим, что в силу симметрии функции входного и выходного патрубков выбираются произвольно. В каналах патрубков установлены перегородки 7,8 исключающие попадание шарика 9 из кольцевого канала в каналы патрубков. Шарик 9 выполнен в виде пустотелой сферы из пластмассы на основе фторопласта, что минимизирует силу трения относительно поверхности кольцевого канала. Технологически масса шарика может быть доведена до долей грамма при диаметре до 40мм. Каждый полукорпус имеет отверстия 10,11 для выполнения вторичного преобразователя. Вторичный преобразователь двухканальный. Каждый канал содержит оптическую пару инфракрасного диапазона при отверстиях 10,11. Оптическая пара составлена из светодиода и фотодиода. Светодиоды смонтированы осесиметрично по внешней стороне одного полукорпуса, а фотодиоды – по внешней стороне другого полукорпуса. Поскольку применены типовые свето- и фотодиоды, то на рис.2 они не отражены. Оба полукорпуса соединены группой болтов 12.

Таким образом, в этой конструкции при прохождении измеряемой среды от входного патрубка(пусть это будет патрубок 6) к выходному 5 общий поток будет проходить около оптической пары при отверстии 11, а часть потока закольцовывается и проходит около второй оптической пары при отверстии 10. В стационарном режиме кольцевой поток постоянен и не влияет на величину выходного потока из патрубка 5. Но в динамическом режиме это постоянство нарушается, тогда выходной поток в патрубке 5 будет равен общему, проходному потоку в зоне вторичного преобразователя 11 за вычетом кольцевой составляющей в зоне вторичного преобразователя 10

.

На выходе каждого вторичного преобразователя длительность диэлектрического импульса определяется временем прохождения шарика оптического луча

. (6)

Учитывая формулы (2),(4) получим

, (7)

где – длительность импульса в зоне проходного потока (точка 11по рис.2),

- длительность импульса в зоне кольцевого потока (точка 10 по рис.2).

Обратимся к обработке сигналов вторичных преобразователей – оптопар. При малых расходах скорости потока в зоне вторичных преобразователей окажутся также малыми. Это приведет к низкой крутизне фронтов электрических импульсов. Для увеличения крутизны фронтов сигналы оптопар проходного преобразователя 15 (рис.2) преобразуются в прямоугольную форму формирователями 16,17. Формирователи могут быть схематически реализованы из последовательно соединенных типовых операционных усилителей и триггеров Шмидта. Вычисление результат измерения целесообразно вести в цифровой форме с помощью микроконтроллера 18. Результат вычислений при динамических режимах следует записать во флешпамяти или компьютер 19. Если расходомер проектируется только для статических измерений, то выходной результат можно отразить цифровым индикатором.

Таким образом, предлагаемый шариковый расходомер конструктивно прост, использует типовые электронные компоненты и позволяет с высокой точностью выявить функцию расхода для быстроменяющихся потоков.