[1]Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в расходометрии жидкостей в химической, нефте- и газоперерабатывающей, пищевой, фармацевтической и других областях промышленности, сжиженного газа и ароматических углеводородов.
[2]Особенно целесообразно использование электронно-оптических шариковых расходомеров (далее - ЭОШРЖ) в расходометрии особо взрыво- пожароопасных и ядовитых жидкостей.
[3]Известно много вариантов конструкций шариковых расходомеров, отличающихся конструктивными особенностями гидромеханической части, способом преобразования скорости вращения шарика в кольцевом канале и, значит, расхода жидкости в частоту выходного электрического сигнала, а также рекомендуемыми областями использования в реальном секторе экономики.
[4]Технические и эксплуатационные характеристики шариковых расходомеров должны соответствовать «Общим техническим условиям» [Расходомеры тахометрические шариковые ГСП, ГОСТ 14012-76, издательство стандартов, 1984 г.].
[5]Известны шариковые первичные преобразователи расхода жидкостей, в которых используется магнито-индукционный датчик частоты вращения шарика, выполненного из ферромагнитного материала [Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Справочник. 4-е изд. Л.:Машиностроение, 1989-701 с.; патент RU 2253843 C1, МПК G01F 1/06, опубл. 10.06.2005 г.; а.с. SU 1591618 A1, МПК G01F 1/06, G01F 1/10, опубл. 27.05.1988 г.; а.с. SU 1117448 А, МПК G01F 1/06, опубл. 07.10.1984 г.], которые имеют низкие метрологические характеристики (приведённая относительная погрешность преобразования расхода жидкости в частоту выходного импульсного напряжения превышает 2% при динамическом диапазоне измерения расхода менее Qmax / Qmin = 6).
[6]Известны шариковые первичные преобразователи расхода электропроводной жидкости [патент RU 2471154 С1, МПК G01F 1/05, опубл. 27.12.2012 г.; патент RU 2566428 С1, МПК G01F 1/06, опубл. 27.10.2015 г.; патент RU 2762946 С1, МПК G01F 1/05, опубл. 24.12.2021 г.], которые не могут использоваться в расходометрии пожаро- и взрывоопасных жидкостей из-за использования в подобных расходомерах электрического контакта электронной схемы с жидкостью.
[7]Известны радио-шариковые первичные преобразователи расхода любой жидкости [патент RU 2471154 С1, МПК G01F 1/05, опубл. 27.12.2012 г.; патент RU 2761416 С1, МПК G01F 1/05, опубл. 08.12.2021 г.], в которых радиоэлектронная схема располагается в непосредственной близости к жидкости, что снижает их пожаро- и взрывозащищённость при расходометрии особо опасных жидкостей.
[8]Наиболее близким по конструкции и принципу действия к заявленному ЭОШРЖ является «Шариковый электронно-оптический первичный преобразователь расхода прозрачных жидкостей» [патент на изобретение RU 2548055 С1, МПК G01F 1/06, опубл. 10.04.2015 г.], состоящий из корпуса с кольцевым каналом, в котором свободно может вращаться шарик, имеющий нулевую плавучесть в жидкости, неподвижного струенаправляющего аппарата и узла съёма электрического сигнала, содержащего светоизлучатель и фотоприёмник, связанные между собой прямой оптической и обратной электрической положительной обратными связями, размещённых непосредственно в кольцевом канале так, чтобы вращающийся шарик мог пересекать оптическую ось «светоизлучатель-фотоприёмник», причём фотоизлучатель и фотоприёмник могут быть с помощью оптоволоконного волновода размещены во вторичном электронном преобразователе.
[9]Прототип имеет следующие недостатки:
[10]1. Величина прямой оптической связи между фотоизлучателем и фотоприёмником сильно зависит от прозрачности жидкости, а глубина электрической положительной обратной связи неизменна и зависит только от электрических параметров фотоизлучателя (светодиода VD1), фотоприёмника (фотодиода VD2), биполярного транзистора VT1, сопротивлений R1 и R2, которые фиксируются в процессе настройки рабочего режима работы электронной части прототипа после его изготовления.
[11]В реальных условиях эксплуатации прототипа, при снижении прозрачности жидкости возможно превышение глубины положительной электрической обратной связи над величиной прямой оптической связи между светодиодом VD1 и фотодиодом VD2, следовательно, возникновение триггерного эффекта, при котором на выходе электронной части расходомера исчезает выходное импульсное напряжение - расходомер перестаёт функционировать.
[12]2. При увеличении эксплуатационной температуры известного расходомера уменьшается световой поток, излучаемый светодиодом VD1, уменьшается чувствительность фотодиода VD2, что приводит к уменьшению прямой оптической связи и, как следствие, возникновение триггерного эффекта. Более того, при увеличении температуры биполярного транзистора VT1 возрастает его коэффициент усиления по току β в схеме с общим эмиттером, возрастает ток базы Iб.VT1 = Iобр.VD2, и, в результате, увеличивается ток коллектора транзистора VT1: Iк= β·Iб.VT1. Значит, увеличивается падение напряжения на резисторе R1: UR1= Iк·R1, и снижается напряжение, приложенное к светодиоду VD1, а это снижает излучаемый им световой поток, что увеличивает вероятность возникновения триггерного эффекта.
[13]3. Никак нельзя исключить возникновение автоколебательного процесса в электронной схеме с положительной обратной связью прототипа, когда сочетание прозрачности жидкости и её температуры (и, следовательно, компонентов схемы) примет необходимое значение. При этом на выходе электронной части прототипа появится периодический сигнал, а вторичный электронный преобразователь может принять его как выходное импульсное напряжение. Появление на выходе первичного преобразователя расхода жидкости лишних импульсов никак не допустимо, так как это будет воспринято как резкое и неуправляемое увеличение расхода жидкости.
[14]4. Для реализации прямой оптической связи светодиода VD1 с фотодиодом VD2 в прототипе их оптические оси должны находиться на одной прямой. Это требует увеличение диаметра корпуса, его выполнение из двух частей, приводит к увеличению минимально необходимого количества деталей гидромеханической части первичного преобразователя расхода жидкости и, главное, резко снижает эффективность использования современных, например, аддитивных технологий, не позволяет достичь снижения себестоимости прототипа в условиях серийного производства.
[15]Таким образом, расположение светодиода и фотодиода на одной оптической оси в известном электронно-оптическом первичном преобразователе расхода прозрачной жидкости и применение в электронной схеме положительной обратной связи с целью нормирования выходного импульсного напряжения порождают выше рассмотренные недостатки, которые никак не совместимы с требованиями к серийно выпускаемому средству измерения расхода жидкости. Более того, недостатки прототипа дискредитируют в целом применение оптоэлектроники в измерительной технике.
[16]Задачей изобретения является упрощение конструкции расходомера с уменьшением количества комплектующих деталей, обеспечивающее использование аддитивных технологий при изготовлении расходомера, что в конечном счете позволяет значительно снизить себестоимость изделия в условиях серийного производства.
[17]Технический результат - обеспечение независимости функционирования электронно-оптической схемы ЭОШРЖ от прозрачности и температуры жидкости посредством подавления возможности возникновения в схеме триггерного эффекта и автогенерации.
[18]Поставленная задача решается и технический результат достигается по первому варианту тем, что в электронно-оптическом шариковом расходомере жидкости, состоящем из корпуса с кольцевым каналом, в котором свободно может вращаться шарик, имеющий нулевую плавучесть в жидкости, струенаправляющего аппарата и узла съема электрического сигнала, содержащего светоизлучатель и фотоприемник, размещенные непосредственно в зоне кольцевого канала, в отличие от прототипа, в узле съема электрического сигнала светоизлучатель и фотоприемник установлены под углом друг к другу так, чтобы их оптические оси сходились в точку на светоотражающей поверхности шарика, причем в качестве светоизлучателя используется светодиод, а в качестве фотоприемника используется фототранзистор с возможностью фиксации режимов их работы двумя резисторами с учетом пороговых напряжений срабатывания и отпускания триггера Шмитта, вход которого соединен с коллектором фототранзистора.
[19]Поставленная задача решается и технический результат достигается по второму варианту тем, что в электронно-оптическом шариковом расходомере жидкости, состоящем из корпуса с кольцевым каналом, в котором свободно может вращаться шарик, имеющий нулевую плавучесть в жидкости, струенаправляющего аппарата и узла съема электрического сигнала, содержащего светоизлучатель и фотоприемник, размещенные во вторичном электронном преобразователе и оптически связанные с кольцевым каналом посредством оптоволоконных световодов, в отличие от прототипа, в узле съема электрического сигнала оптоволоконные световоды установлены под углом друг к другу так, чтобы их оптические оси сходились в точку на светоотражающей поверхности шарика, причем в качестве светоизлучателя используется светодиод, а в качестве фотоприемника используется фототранзистор с возможностью фиксации режимов их работы двумя резисторами с учетом пороговых напряжений срабатывания и отпускания триггера Шмитта, вход которого соединен с коллектором фототранзистора.
[20]Сущность изобретения поясняется чертежами.
[21]На фиг. 1 представлен первый вариант конструкции электронно-оптического шарикового расходомера жидкости, где 1 - монолитный корпус расходомера со ступицей 2; 3 - монолитный струенаправляющий аппарат; 4 - шарик, имеющий светоотражающую поверхность и нулевую плавучесть в жидкости; 5 - узел съема электрического сигнала, герметично установленный в корпусе, в котором размещены под углом друг к другу светодиод VD1 и фототранзистор VT1.
[22]На фиг. 2 представлен второй вариант конструкции электронно-оптического шарикового расходомера жидкости, в котором светоизлучатель и фотоприемник (в качестве которых выступают светодиод VD1 и фототранзистор соответственно VT1) размещены во вторичном электронном преобразователе и оптически связаны с кольцевым каналом посредством оптоволоконных световодов 6 и 7.
[23]На фиг. 3 представлена электронная схема заявленных вариантов расходомеров, состоящая из светодиода VD1, фототранзистора VT1, триггера Шмитта DD1 и резисторов R1 и R2.
[24]На фиг. 4 показаны угловые диаграммы напряжений на коллекторе фототранзистора VT1 Uк.VT1(ϕ) и выходе триггера Шмитта Uвых(ϕ), являющегося выходным импульсным напряжением расходомера, а также пороговые напряжения срабатывания Uпор.ср.и отпускания Uпор.отп триггера Шмитта.
[25]Из двух вариантов конструкций заявленного ЭОШРЖ, представленных на фиг. 1 и фиг. 2, следует, что световой поток (в видимом или инфракрасном спектре), излучаемый светодиодом VD1, может попасть в базу фототранзистора VT1 и быть максимальным по величине только тогда, когда шарик 4 окажется точно под точкой пересечения оптических осей светодиода и фототранзистора относительно внешней поверхности кольцевого канала расходомера. Это условие выполняется при соответствующем угле α + β, где α = β, между светодиодом VD1 и фототранзистором VT1 в первом варианте конструкции расходомера или между оптоволоконными световодами во втором варианте заявленного ЭОШРЖ. Важно, что в эти моменты времени при вращении шарика в кольцевом канале между светоизлучателем и фотоприёмником, по существу, нет жидкости, поэтому её прозрачность практически не влияет на величину коэффициента оптической взаимосвязи светодиода VD1 и фототранзистором VT1, следовательно, предельно минимизируется влияние прозрачности жидкости на выбранный режим работы электронной схемы.
[26]Прямой ток светодиода VD1 Iпр.VD1 = (Uп. - Uпр.VD1) / R1 фиксируется резистором R1, при заданном стабилизированном напряжении электропитания Uп., известных прямом падении напряжении на светодиоде Uпр.VD1 и зависимости силы излучаемого света от величины прямого тока Iпр.VD1 с учётом предполагаемого диапазона изменения эксплуатационной температуры расходомера, являющихся справочными параметрами выбранного типа светодиода.
[27]Световой поток, отражённый поверхностью шарика в направлении фототранзистора VT1 (непосредственно или посредством оптоволоконного световода), вызывает изменение тока коллектора Iк.VT1 и, следовательно, напряжения на коллекторе Uкэ.VT1, которое является входным напряжением триггера Шмитта DD1, предназначенным для формирования прямоугольного импульсного выходного напряжения Uвых., как показано на фиг. 4.
[28]Если на выходе триггера Шмитта включить биполярный транзистор по схеме с общим эмиттером (или полевой транзистор с изолированным затвором по схеме с общим истоком) с целью увеличения нагрузочной способности электронной части расходомера, то выходное импульсное напряжение, снимаемое с коллектора (или стока полевого транзистора) этого транзистора Uк. = Uвых. будет инвертировано по величине, как это показано на фиг. 4.
[29]Режим работы фототранзистора VT1 с помощью резистора R2 фиксируются таким образом, чтобы в пассивном состоянии заявленного расходомера, когда шарик 4 находится далеко от оптической зоны 5, напряжение на коллекторе фототранзистора VT1 находилось на уровне между порогами срабатывания Uпор.ср. и отпускания Uпор.отп. триггера Шмитта.
[30]Гистерезис проходной характеристики Uвых. = f (Uвх.) триггера Шмитта Uг. = Uпор.ср. - Uпор.отп. защищает электронную схему расходомера от случайного попадания в оптическую зону 5 на фиг. 1 и фиг. 2 световых бликов в жидкости, интенсивность которых зависит от соотношения геометрических размеров кольцевого канала и диаметра шарика и используемого материала при изготовлении гидромеханической части расходомера.
[31]Целесообразно использовать материал корпуса 1 со ступицей 2 и струенаправляющего аппарата 3 с низким светоотражающим свойством для известного спектра излучения светодиода VD1. Шарик 4 должен иметь светоотражающую поверхность для известной длины волны света, излучаемого светодиодом VD1.
[32]Требуемые уровни пороговых напряжений срабатывания Uпор.ср. и отпускания Uпор.отп., и величину гистерезиса Uг. триггера Шмитта можно задать напряжением питания Uп.
[33]Итак, заявленный электронно-оптический шариковый расходомер обеспечивает независимость функционирования электронно-оптической схемы ЭОШРЖ от прозрачности и температуры жидкости посредством подавления возможности возникновения в схеме триггерного эффекта и автогенерации. Упрощение конструкции расходомера с уменьшением количества комплектующих деталей обеспечивает использование аддитивных технологий при изготовлении расходомера, что в конечном счете позволяет значительно снизить себестоимость изделия в условиях серийного производства.
