расходомер

Формула изобретения

1. Расходомер, содержащий корпус, состоящий из двух частей, включающий подводящее и направляющее сопла, приемное отверстие, выполненное в перегородке корпуса, упругий чувствительный элемент, например мембрану, выходной патрубок и преобразователь перемещения упругого чувствительного элемента в выходной сигнал, причем полость между соплами сообщена с подмембранной полостью корпуса, отличающийся тем, что в него дополнительно введено тело с переменной положительной плавучестью, выполненное из эластичного материала, жестко закрепленное на чувствительном элементе.

2. Расходомер по п.1, отличающийся тем, что тело с переменной положительной плавучестью выполнено в виде эластичной капсулы, закрепленной верхней частью под мембраной.

3. Расходомер по п.1, отличающийся тем, что тело с переменной положительной плавучестью представляет собой негерметичную емкость для жидкости с размещенной в ней эластичной капсулой и заполнено, например, жидкостью, изменяющей свое фазовое состояние при заданном изменении температуры.

4. Расходомер по п.2, отличающийся тем, что эластичная капсула разделена на герметичные отсеки, заполненные летучими жидкостями с разными температурами фазового перехода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения расхода жидкостей, в частности нефтепродуктов.

Известен расходомер, содержащий корпус, состоящий из двух частей, и включающий подводящее и направляющее сопла, приемное отверстие, выполненное в перегородке корпуса, упругий чувствительный элемент, например мембрану, выходной патрубок и преобразователь перемещения упругого чувствительного элемента в выходной сигнал, причем полость между соплами сообщена с подмембранной полостью корпуса (А.с. СССР №533824, МПК G 01 F 1/34, 30.10.1976 г.).

Недостатком известного расходомера является погрешность, вызываемая зависимостью выходного сигнала, снимаемого с преобразователя перемещения мембраны, от плотности измеряемой среды.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому устройству является расходомер, содержащий корпус, состоящий из двух частей, и включающий подводящее и направляющее сопла, приемное отверстие, выполненное в перегородке корпуса, упругий чувствительный элемент, например мембрану, выходной патрубок и преобразователь перемещения упругого чувствительного элемента в выходной сигнал, причем полость между соплами сообщена с подмембранной полостью корпуса. В него дополнительно введено тело с положительной плавучестью, жестко закрепленное на чувствительном элементе (А.с. СССР №1174754, МПК G 01 F 1/34, 23.08.1985 г.).

Недостатком описанных расходомеров является невысокая точность измерения расхода жидкости.

Задачей изобретения является повышение точности измерения расхода жидкости.

Поставленная задача достигается тем, что в расходомер, содержащий корпус, состоящий из двух частей, и включающий подводящее и направляющее сопла, приемное отверстие, выполненное в перегородке корпуса, упругий чувствительный элемент, например мембрану, выходной патрубок и преобразователь перемещения упругого чувствительного элемента в выходной сигнал, причем полость между соплами сообщена с подмембранной полостью корпуса, в отличие от прототипа, дополнительно введено тело с переменной положительной плавучестью, жестко закрепленное на чувствительном элементе. Кроме того, тело с переменной положительной плавучестью выполнено из эластичного материала (например, из резины, стойкой к агрессивным средам). Внутрь тела помещается среда, меняющая свое фазовое состояние (например, вода), или заполняется воздухом. Таким образом, тело меняет свой объем (переменная плавучесть) в зависимости от температуры среды.

Существо изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 изображена конструкция расходомера. На фиг.2 изображен корпус с размещенным в нем телом с переменной положительной плавучестью. На фиг.3 изображена схема жесткого крепления тела с переменной положительной плавучестью. На фиг.4 изображена схема жесткого крепления тела с переменной положительной плавучестью с разделенной капсулой. На фиг.5 изображена схема расчета.

Предлагаемое устройство (фиг.1) содержит корпус 1, подводящее сопло 2, соосно с которым с зазором установлено направляющее сопло 3. Подводящее сопло 2 образует полость 4, при этом направляющее сопло установлено с зазором против отверстия 5, выполненного в перегородке 6 корпуса 7, который разделен подпружиненной мембраной 8 на две части, образующие верхнюю полость 9 и нижнюю полость 10. Последняя соединена каналом 11 с полостью 4. На мембране закреплены воздушный поплавок 12 с переменной положительной плавучестью, жестко соединенный с плунжером 13 дифференциально-трансформаторного датчика 14, и конец регулирующей пружины 15. Выход жидкости осуществляется через выходной патрубок 16.

Расходомер работает следующим образом.

Сформированная подводящим соплом 2 струя измеряемой среды направляется через направляющее сопло 3 в отверстие 5, заполняет внутреннюю полость 9 жидкостью, взаимодействующей с ней и, растекаясь, выходит через патрубок 16 из крышки корпуса 7 расходомера. При этом полость 9 воспринимает и статическое давление, и скоростное давление струи, пропорциональное квадрату расхода среды и ее плотности. Вследствие того, что струя, вытекающая из сопла 2, сохраняя вначале цилиндрическую форму, становится конусообразной до попадания в отверстие направляющего сопла 3, в полости 4 создается низкое давление, так как поток между выходами и входами сопел 2 и 3 имеет в этой области большую кинетическую энергию и, следовательно, малую потенциальную энергию. Благодаря этому давление, поступающее из полости 4 по каналу 11 в полость 10, несколько ниже статического давления.

Таким образом, мембрана 8 с воздушным поплавком 12 находится под воздействием силы, обусловленной разностью давлений в надмембранной и подмембранной полостях, и выталкивающей силы, пропорциональной плотности измеряемой среды и объему воздушного поплавка 12. Под действием этих сил мембрана 8, преодолевая силы упругости пружины 15, смещает плунжер 13 дифференциально-трансформаторного преобразователя 14, который вырабатывает сигнал, функционально связанный с величиной расхода.

На фиг.2 изображен первый вариант конструкции размещения тела с переменной положительной плавучестью. Предлагаемая конструкция содержит негерметичный корпус 17, расположенный под подпружиненной мембраной 8 корпуса 7 расходомера, внутри которого помещено тело с переменной положительной плавучестью при высокой температуре среды 12 и низкой температуре среды 12, обозначенного пунктирной линией.

На фиг.3 изображен второй вариант конструкции размещения тела с переменной положительной плавучестью. Предлагаемая конструкция содержит расположенную в корпусе 7 расходомера подпружиненную мембрану 8, под которой жестко крепится тело с переменной положительной плавучестью 12.

На фиг.4 изображен второй вариант конструкции размещения тела с переменной положительной плавучестью. Предлагаемая конструкция содержит расположенную в корпусе 7 расходомера подпружиненную мембрану 8, под которой жестко крепится тело с переменной положительной плавучестью 12. Для расширения диапазона температур предложено сделать несколько кювет, различающихся между собой температурой фаз перехода (испарения), заполненных, например, жидкими эфирами, испаряющимися в необходимом диапазоне температур.

Естественная форма жидкости - шар. Находясь внутри другой жидкости с такой же плотностью, жидкость, по закону Архимеда, "теряет" свой вес: она словно ничего не весит, тяжесть на нее не действует, - и тогда жидкость принимает свою естественную, шарообразную форму.

Рассмотрим силы, которые действуют со стороны жидкости на погруженное в нее тело. Чтобы легче было рассуждать, выберем тело, которое имеет форму параллелепипеда с основаниями, параллельными поверхности жидкости (фиг.4). Силы, действующие на боковые грани тела, попарно равны и уравновешивают друг друга. Под действием этих сил тело только сжимается. А вот силы, действующие на верхнюю и нижнюю грани тела, неодинаковы. На верхнюю грань давит сверху с силой F1 столб жидкости высотой h1. На уровне нижней грани тела давление производит столб жидкости высотой h2. Это давление передается внутри жидкости во все стороны. Следовательно, на нижнюю грань тела снизу вверх с силой F2 давит столб жидкости высотой h2. Но h2 больше h1, следовательно, и модуль силы F2 больше модуля силы F1. Поэтому тело выталкивается из жидкости с силой F_выт, равной разности сил F2-F1:

Рассчитаем эту выталкивающую силу. Силы F1 и F2, действующие на верхнюю и нижнюю грани параллелепипеда, можно вычислить, зная их площади (S1 и S2) и давление жидкости на уровнях этих граней (р1 и р2). Отсюда получаем:

где S - площадь основания параллелепипеда, м² ;

S₁ - площадь основания верхней грани параллелепипеда, м²;

S₂ - площадь основания нижней грани параллелепипеда, м²;

F₁ - сила давления столба жидкости на верхнюю грань параллелепипеда, Н;

F₂ - сила давления столба жидкости на нижнюю грань параллелепипеда, Н;

p₁ - давление жидкости на уровне верхней грани параллелепипеда, Н/м²;

р₂ - давление жидкости на уровне нижней грани параллелепипеда, Н/м²;

h₁ - высота столба жидкости на уровне верхней грани параллелепипеда, м;

h₂ - высота столба жидкости на уровне нижней грани параллелепипеда, м;

g - ускорение свободного падения, Н/кг;

_ж - плотность жидкости, кг/м³.

Тогда

где h - высота параллелепипеда, м;

F_выт - выталкивающая сила.

Но

где V - объем параллелепипеда, м³.

А

где m_ж - масса жидкости в объеме параллелепипеда, кг.

Следовательно,

P_ж - вес жидкости, Н.

Т.е. выталкивающая сила равна весу жидкости в объеме погруженного в нее тела. Закон Архимеда дает возможность разъяснить все вопросы, связанные с плаванием тел.

Тело с переменной положительной плавучестью изменяет свое фазовое состояние в зависимости от изменения температуры и, следовательно, изменения плотности и объема среды (жидкости). При этом погрешность измерения компенсируется за счет дополнительной силы Архимеда - F_выт (6). Увеличение объема тела с переменной положительной плавучестью показано штриховой линией (фиг.2). На основании вышесказанного можно сделать вывод об уменьшении погрешности измерения на выходе расходомера по сравнению с прототипом (А.с. СССР №1174754, МПК G 0l F 1/34, 23.08.1985 г.).

Итак, заявляемое изобретение позволяет повысить точность измерения расхода жидкости.