RU2548055C1 - Ball electronic-optical primary converter of clear liquid flow - Google Patents
Ball electronic-optical primary converter of clear liquid flow Download PDFInfo
- Publication number
- RU2548055C1 RU2548055C1 RU2014111729/28A RU2014111729A RU2548055C1 RU 2548055 C1 RU2548055 C1 RU 2548055C1 RU 2014111729/28 A RU2014111729/28 A RU 2014111729/28A RU 2014111729 A RU2014111729 A RU 2014111729A RU 2548055 C1 RU2548055 C1 RU 2548055C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ball
- photodetector
- light emitter
- optical
- flow
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measuring Volume Flow (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и приборостроению и может быть использовано в расходометрии любых прозрачных, электропроводных и неэлектропроводных, агрессивных, токсичных и огне- и взрывоопасных жидкостей, в частности воды и водных растворов кислот, щелочей и солей, светлых нефтепродуктов и продуктов нефтехимической и химической промышленности, сжиженного газа и ароматических углеводородов.The invention relates to measuring equipment and instrumentation and can be used in flow metering of any transparent, conductive and non-conductive, aggressive, toxic and flammable and explosive liquids, in particular water and aqueous solutions of acids, alkalis and salts, light petroleum products and products of the petrochemical and chemical industries , liquefied gas and aromatic hydrocarbons.
Шариковые первичные преобразователи расхода жидкости следует считать особо перспективными для измерения количества и расхода воды в автоматических системах учета водопотребления в жилищно-коммунальном хозяйстве и для использования в составе счетчиков количества теплоты, так как в этих областях применения первичные преобразователи расхода холодной и горячей воды должны обладать большим ресурсом эксплуатации, простой конструкцией, низкой стоимостью обслуживания и ремонта, приемлемой ценой.Ball primary converters of fluid flow should be considered particularly promising for measuring the amount and flow of water in automatic water metering systems in housing and communal services and for use as part of heat quantity meters, since in these applications primary flow converters of cold and hot water should have a large service life, simple design, low cost of maintenance and repair, reasonable price.
Известны многочисленные варианты конструкций шариковых первичных преобразователей расхода жидкости в электрический сигнал, выделяющиеся среди других типов тахометрических расходомеров жидкости значительными преимуществами, которые обуславливают их предпочтительность при измерении расхода воды и агрессивных жидкостей [Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник. 4-е изд. Л.: Машиностроение, 1989 - 701 с. ].Numerous designs of ball primary converters of fluid flow into an electrical signal are known, which stand out among other types of tachometric fluid flow meters with significant advantages that determine their preference when measuring water flow and aggressive fluids [Kremlevsky P.P. Flowmeters and Counters: Reference. 4th ed. L .: Engineering, 1989 - 701 p. ].
Известен шариковый преобразователь расхода [RU №2253843 C1, кл. G01F 1/06, опубл. 10.06.2005 г. ], состоящий из корпуса из немагнитного материала, ограничительной втулки, раскрытой кольцевой полости с шаром и узла съема сигнала. Раскрытая кольцевая полость образована внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью ограничивающей втулки. Корпус преобразователя со стороны раскрытия полости с размещенным в ней шаром имеет кольцевое углубление, стабилизирующее вращение вихревого потока.Known ball flow transducer [RU No. 2253843 C1, cl.
Известен шариковый расходомер [SU №1591618 A1, кл. G01F 1/06, G01F 1/10, опубл. 27.05.1988 г. ], состоящий из корпуса с входными и выходными патрубками. Внутри корпуса коаксиально расположены стержень-вытеснитель и ограничительный кольцевой элемент, который образует в корпусе непроточную полость с размещенным в ней шаром. Последняя сообщена с проточной частью кольцевой щелью. В зоне размещения шара на корпусе расположен узел съема сигнала. Для приведения во вращение шара служит струенаправляющее устройство, выполненное в виде тангенциальных каналов, расположенных в кольцевом выступе, размещенном на торце ограничительного кольцевого элемента со стороны проточной части корпуса.Known ball meter [SU No. 1591618 A1, cl.
Известен реверсивный датчик скоростного расходомера со свободноплавающим телом [SU №169814, кл. G01F, опубл. 17.03.1965 г. ], состоящий из корпуса, выполненного в виде цилиндрического кольца, к внешней стенке которого по касательной к рабочей полости прикреплены два патрубка, смещенные относительно друг друга по высоте и направленные в противоположные стороны.Known reversible sensor high-speed flowmeter with a free-floating body [SU No. 169814, class. G01F, publ. March 17, 1965], consisting of a body made in the form of a cylindrical ring, to the outer wall of which two nozzles are attached tangentially to the working cavity, displaced relative to each other in height and directed in opposite directions.
Известен также шариковый расходомер [SU №1117448 A, кл. G01F 1/06, опубл. 07.10.1984], содержащий измерительный участок трубопровода с размещенным в нем первичным преобразователем, состоящим из цилиндрического корпуса с кольцевым каналом, струенаправляющего аппарата, струевыпрямителя и шарика, сужающим устройством, установленным соосно перед первичным преобразователем и каналом для перепуска части потока, а также узлом съема электрического сигнала. С целью расширения диапазона измерений расхода корпус первичного преобразователя выполнен диаметром, меньшим диаметра измерительного трубопровода, канал для перепуска части потока образован между корпусом первичного преобразователя и измерительным трубопроводом, первичный преобразователь установлен с возможностью осевого перемещения относительно сужающего устройства, а диаметр отверстия сужающего устройства выполнен не меньше максимального диаметра корпуса первичного преобразователя.Also known is a ball flow meter [SU No. 1117448 A, class.
Во всех известных конструкциях вышеперечисленных шариковых преобразователей расхода жидкости в импульсный электрический выходной сигнал имеются недостатки, обусловленные использованием ферромагнитного шарика и магнитоиндукционного датчика (МИД):In all known designs of the above-mentioned ball converters of fluid flow into a pulsed electrical output signal, there are drawbacks caused by the use of a ferromagnetic ball and a magnetic induction sensor (MID):
1. При прохождении ферромагнитного шарика рядом с магнитопроводом магнитоиндукционного датчика (МИД) происходит его примагничивание (притягивание) и при относительно небольшом расходе жидкости - его прилипание, что обуславливает нелинейность статической характеристики и значительный порог чувствительности в области низких расходов.1. When a ferromagnetic ball passes near the magnetic core of a magneto-induction sensor (MFA), it is magnetized (attracted) and, with a relatively small flow rate of liquid, it sticks, which causes a non-linearity of the static characteristic and a significant sensitivity threshold in the low-flow area.
2. При горизонтальном положении преобразователя, поскольку ферромагнитный шарик относительно веса вытесненной жидкости тяжелый, то есть обладает отрицательной плавучестью, наблюдается непостоянство скорости вращения шарика в пределах одного оборота, которое нарастает при уменьшении скорости вращения, что в итоге еще больше искажает статическую характеристику первичного преобразователя.2. When the transducer is horizontal, since the ferromagnetic ball is heavy with respect to the weight of the displaced liquid, that is, it has negative buoyancy, the rotation speed of the ball is not constant within one revolution, which increases with decreasing rotation speed, which ultimately distorts the static characteristic of the primary transducer.
Неплавучесть ферромагнитного шарика делает невозможным горизонтальное положение преобразователя, когда вектор силы гравитации Земли направлен перпендикулярно линейному потоку жидкости, так как при небольших расходах жидкости ферромагнтиный шарик может остановиться в нижней точке кольцевого канала, то есть прекратить свое вращение.The non-buoyancy of the ferromagnetic ball makes impossible the horizontal position of the transducer, when the Earth's gravitational force vector is directed perpendicular to the linear fluid flow, since at small liquid flow rates the ferromagnetic ball can stop at the lower point of the annular channel, that is, stop its rotation.
3. Выходной сигнал МИД сильно зависит от скорости вращения шарика (скорости пробегания шарика под магнитопроводом МИД): при низких скоростях вращения шарика и, значит, небольших расходах жидкости напряжение, индуцированное в обмотке МИД, очень мало. Поэтому в клеммной коробке первичного преобразователя должен располагаться электронный усилитель. Обязательное размещение в клеммной коробке электронного усилителя приводит к повышению стоимости преобразователя, снижению надежности и помехоустойчивости при эксплуатации.3. The output signal of the MFA strongly depends on the speed of rotation of the ball (the speed of the ball under the magnetic circuit of the MFA): at low speeds of rotation of the ball and, therefore, low liquid flow rates, the voltage induced in the winding of the MFA is very small. Therefore, an electronic amplifier must be located in the terminal box of the primary converter. Mandatory placement in the terminal box of an electronic amplifier leads to an increase in the cost of the converter, a decrease in reliability and noise immunity during operation.
Перечисленные три недостатка известных шариковых первичных преобразователей расхода жидкости с ферромагнитным шариком и МИД обуславливают невозможность их использования при небольших расходах жидкости и (или) горизонтальном положении.These three disadvantages of the known ball primary transducers of fluid flow with a ferromagnetic ball and the MFA cause the impossibility of their use at low fluid flow rates and (or) horizontal position.
Наиболее близким по конструкции, чувствительности преобразователя при низких расходах жидкости и точности преобразования в широком рабочем диапазоне расходов является шариковый первичный преобразователь расхода электропроводной жидкости [RU №2471154 C1, МПК G01F 1/05, опубл. 27.12.2012, бюл. №36], состоящий из цилиндрического корпуса с кольцевым каналом, в котором свободно может вращаться шарик, неподвижного струенаправляющего аппарата и узла съема электрического сигнала, причем, шарик выполнен из диэлектрического материала с нулевой плавучестью в жидкости, а узел съема электрического сигнала состоит из двух электродов, помещенных в кольцевой канал через проходные изоляторы, перпендикулярно траектории качения шарика и заподлицо с поверхностью кольцевого канала.The closest in design, the sensitivity of the Converter at low flow rates and the accuracy of the conversion in a wide operating range of costs is a ball primary transducer flow rate of conductive liquid [RU No. 2471154 C1, IPC
В данном преобразователе расхода вращающийся в кольцевом канале диэлектрический шарик модулирует электрическое сопротивление жидкости между двумя электродами с частотой собственного вращения, пропорциональной расходу жидкости. Так как шарик имеет нулевую плавучесть в жидкости и не подвергается никакому силовому воздействию, кроме самой жидкости, заставляющей его свободно вращаться в кольцевом канале, преобразователь расхода имеет высокую чувствительность и высокую линейность функции преобразования F=f(G) в зоне низких расходов жидкости, где F - частота следования импульсов, G - расход жидкости.In this flow transducer, a dielectric ball rotating in an annular channel modulates the electrical resistance of the fluid between the two electrodes with a frequency of proper rotation proportional to the flow rate of the fluid. Since the ball has zero buoyancy in the liquid and is not subjected to any force action, except for the liquid itself, which makes it rotate freely in the annular channel, the flow transducer has high sensitivity and high linearity of the conversion function F = f (G) in the low-flow zone, where F - pulse repetition rate, G - fluid flow rate.
Шариковый первичный преобразователь расхода электропроводной жидкости, являющийся прототипом, имеет недостатки:The ball-type primary transducer of the flow of conductive fluid, which is a prototype, has the disadvantages of:
1. Ограниченное применение, так как пригоден для преобразования расхода только электропроводных жидкостей. Он не пригоден для расходометрии огне- и взрывоопасных жидкостей, поскольку с ними электрический контакт электродов категорически не допускается.1. Limited use, as it is suitable for converting the flow rate of electrically conductive liquids only. It is not suitable for flow measurement of flammable and explosive liquids, since with them the electrical contact of the electrodes is strictly not allowed.
2. Непостоянство электропроводности жидкости при изменении ее температуры и (или) концентрации соли, щелочи или кислоты в воде вызывает нестабильность режима работы биполярного транзистора и, следовательно, формы выходных импульсов преобразователя. Для устранения влияния этого негативного фактора на стабильность статической характеристики F=f(G) электронная часть известного преобразователя расхода электропроводной жидкости должна быть изменена и, как следствие, иметь более сложную схему.2. The inconsistency of the electrical conductivity of the liquid when changing its temperature and (or) the concentration of salt, alkali or acid in water causes instability of the operating mode of the bipolar transistor and, therefore, the shape of the output pulses of the Converter. To eliminate the influence of this negative factor on the stability of the static characteristic F = f (G), the electronic part of the known transducer of the flow rate of the electrically conductive liquid must be changed and, as a result, have a more complex circuit.
3. Между электродами в известном преобразователе расхода электропроводной жидкости имеется разность потенциалов, поэтому в зонах контактов электродов с жидкостью возможны электролиз и другие электрохимические процессы, приводящие соответственно к снижению линейности статической характеристики F=f(G) и химическому разрушению активных поверхностей электродов, в связи с чем электроды известного преобразователя электропроводной жидкости в зоне контакта с жидкостью должны выполняться из химически инертного к данной жидкости металла или сплава металлов, что усложняет конструкцию прибора и увеличивает его себестоимость.3. There is a potential difference between the electrodes in the known transducer of the flow of conductive fluid, therefore, electrolysis and other electrochemical processes are possible in the zones of contact of the electrodes with the liquid, resulting in a decrease in the linearity of the static characteristic F = f (G) and chemical destruction of the active surfaces of the electrodes, due to with which the electrodes of a known transducer of an electrically conductive liquid in the zone of contact with the liquid must be made of a metal chemically inert to the liquid or metal alloy, which complicates the design of the device and increases its cost.
4. При малых расходах жидкости, особенно в самом начале статической характеристики F=f(G), крутизна переднего и заднего фронтов выходного импульсного сигнала очень низкая, импульсы выходного напряжения как бы размываются во времени. Поэтому во вторичном электронном преобразователе необходимо использовать компаратор для нормирования длительностей переднего и заднего фронтов импульсов, чтобы во вторичном электронном преобразователе не происходили пропуски импульсов при вычислении расхода и количества жидкости.4. At low liquid flow rates, especially at the very beginning of the static characteristic F = f (G), the steepness of the leading and trailing edges of the output pulse signal is very low, the output voltage pulses seem to blur in time. Therefore, in the secondary electronic converter, it is necessary to use a comparator to normalize the durations of the leading and trailing edges of the pulses, so that no pulses are missed in the secondary electronic converter when calculating the flow rate and amount of liquid.
5. Электропроводная жидкость является носителем паразитных электрических зарядов, генерируемых в ней переменными магнитными полями частотой 50 Гц (сетей электроснабжения) и возбуждающих между электродами переменные напряжения помехи такой же частоты, которое будет модулировать полезный сигнал и вызывать сбои в работе преобразователя расхода жидкости. Для обеспечения помехоустойчивости прототипа до и после кольцевого канала необходимо иметь два электрода, соединенных между собой и с общей шиной электропитания схемы нормирования выходного сигнала, что усложняет конструкцию прибора.5. An electrically conductive liquid is a carrier of parasitic electric charges generated in it by alternating magnetic fields with a frequency of 50 Hz (power supply networks) and exciting alternating interference voltages of the same frequency between the electrodes, which will modulate the useful signal and cause malfunctions in the fluid flow converter. To ensure noise immunity of the prototype before and after the annular channel, it is necessary to have two electrodes connected to each other and to the common power bus of the output signal rationing circuit, which complicates the design of the device.
Задача изобретения является, во-первых, расширение функциональных возможностей за счет расширения видов жидкостей - электропроводных и неэлектропроводных, огне- и взрывоопасных, особо агрессивных и токсичных, но прозрачных, расходометрия которых может быть реализована шариковым первичным преобразователем, во-вторых, получение возможности исключения из состава первичного преобразователя электрической части вместе с клеммной коробкой и их размещения во вторичном электронном преобразователе на требуемом расстоянии.The objective of the invention is, firstly, the expansion of functionality by expanding the types of liquids - electrically conductive and non-conductive, flammable and explosive, especially aggressive and toxic, but transparent, flow metering of which can be implemented using a ball primary transducer, and secondly, the possibility of exclusion from the composition of the primary converter of the electrical part together with the terminal box and their placement in the secondary electronic converter at the required distance.
Технический результат - обеспечение выходного сигнала с достаточной крутизной фронтов и стабильной амплитудой, не зависящими от вида жидкости, ее температуры и давления, не подверженными искажению электрическими, магнитными и электромагнитными полями.The technical result is the provision of an output signal with a sufficient steepness of the fronts and a stable amplitude, independent of the type of liquid, its temperature and pressure, not subject to distortion by electric, magnetic and electromagnetic fields.
Поставленная задача решается и технический результат достигается по первому варианту тем, что в шариковом электронно-оптическом первичном преобразователе расхода прозрачных жидкостей, состоящем из корпуса с кольцевым каналом, в котором свободно может вращаться шарик, имеющий нулевую плавучесть в жидкости, неподвижного струенаправляющего аппарата и узла съема электрического сигнала, согласно изобретению, узел съема электрического сигнала состоит из светоизлучателя и фотоприемника, связанных между собой прямой оптической и обратной электронной положительной связями и размещенных непосредственно в зоне кольцевого канала так, чтобы вращающийся шарик мог пересекать оптическую ось "светоизлучатель-фотоприемник".The problem is solved and the technical result is achieved according to the first embodiment in that in a ball-type electron-optical primary transducer of the flow of transparent liquids, consisting of a housing with an annular channel in which the ball can freely rotate, having zero buoyancy in the fluid, a stationary flow guide apparatus and a removal unit of an electric signal, according to the invention, an electric signal pickup unit consists of a light emitter and a photodetector, interconnected direct optical and reverse positive electronic bonds and placed directly in the area of the annular channel so that the rotating ball can cross the optical axis of the "light emitter-photodetector".
Поставленная задача решается и технический результат достигается по второму варианту тем, что в шариковом электронно-оптическом первичном преобразователе расхода прозрачных жидкостей, состоящем из корпуса с кольцевым каналом, в котором свободно может вращаться шарик, имеющий нулевую плавучесть в жидкости, неподвижного струенаправляющего аппарата и узла съема электрического сигнала, согласно изобретению, узел съема электрического сигнала состоит из светоизлучателя и фотоприемника, связанных между собой прямой оптической и обратной электронной положительной связями и размещенных во вторичном электронном преобразователе и оптически связанные с кольцевым каналом первичного преобразователя посредством оптоволоконных волноводов.The problem is solved and the technical result is achieved according to the second embodiment by the fact that in a ball-type electron-optical primary flow transducer of transparent liquids, consisting of a housing with an annular channel in which a ball with zero buoyancy in a fluid, a stationary flow guide apparatus and a removal unit can freely rotate of an electric signal, according to the invention, an electric signal pickup unit consists of a light emitter and a photodetector, interconnected direct optical and reverse positive electronically coupled and placed in the secondary electronic transducer and optically coupled to the annular channel of the primary transducer by means of fiber optic waveguides.
Сущность изобретения поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.
На фиг. 1 представлен первый вариант конструкции шарикового электронно-оптического первичного преобразователя расхода прозрачной жидкости в виде продольного сечения по отношению к потоку жидкости.In FIG. 1 shows a first embodiment of a ball-type electron-optical primary transducer of a transparent fluid flow in the form of a longitudinal section with respect to the fluid flow.
На фиг. 2 показана известная оптоэлектронная схема, служащая для преобразования частоты вращения непрозрачного тела, пересекающего оптическую ось, в частоту импульсного выходного напряжения.In FIG. 2 shows a known optoelectronic circuit serving to convert the rotational speed of an opaque body crossing an optical axis into a pulse output voltage frequency.
На фиг. 3 представлена заявляемая схема оптоэлектронной пары «светоиз-лучатель-фотоприемник», в которой действует положительная обратная связь.In FIG. 3 presents the claimed circuit of the optoelectronic pair "light emitter-photodetector", in which there is a positive feedback.
На фиг. 4 представлены временные диаграммы выходного напряжения шарикового электронно-оптического преобразователя расхода жидкости при использовании известного и заявленного способов регистрации частоты вращения шарика.In FIG. 4 shows time diagrams of the output voltage of a ball-type electron-optical liquid flow transducer when using the known and claimed methods for recording the rotational speed of a ball.
На фиг. 5 показан второй вариант конструкции шарикового электронно-оптического первичного преобразователя, в котором электронная часть полностью выведена за пределы преобразователя благодаря использованию оптоволоконной связи кольцевого канала с светоизлучателем и фотоприемником.In FIG. 5 shows a second embodiment of a ball-type electron-optical primary converter, in which the electronic part is completely outside the converter due to the use of fiber-optic communication of the annular channel with a light emitter and a photodetector.
Шариковый электронно-оптический первичный преобразователь расхода прозрачных жидкостей по первому варианту включает в себя (фиг. 1): оптически прозрачный (стеклянный или пластмассовый) корпус, состоящий из двух одинаковых цилиндрических частей 1 и 2, каждая из которых имеет расширяющиеся полости, кольцевые выточки для уплотнительных колец 3, 4 и 5, углубления для фотоприемника 6 и светоизлучателя 7. Два одинаковых фланца 8 и 9, служащих для присоединения преобразователя к входному и выходному трубопроводам (сваркой или посредством резьбовых соединений), сжимающих две одинаковые части корпуса преобразователя 1 и 2 с помощью болтов 10, и имеющих по одному отверстию (с резьбой или без нее) для установки фотоприемника 6 и светоизлучателя 7. Струенаправляющий аппарат 11, имеющий несколько лопастей для преобразования линейного потока жидкости во вращающийся поток, формирующий кольцевой канал вместе с внутренней поверхностью корпуса и неподвижно установленный посредством резьбового соединения с фланцем 8 внутри корпуса преобразователя встречно потоку жидкости. Шар 12, обладающий нулевой плавучестью в жидкости и меньшей прозрачностью по сравнению с ней (или непрозрачный), который может свободно вращаться в кольцевом канале, образованном внутренними поверхностями двух частей корпуса 1 и 2 и поверхностью струенаправляющего аппарата 11. Фотоприемник 6, в качестве которого используется фотодиод в режиме фотопреобразователя, соединенный анодом (А) и катодом (К) соответственно с базой биполярного транзистора 13 и шиной электропитания схемы +Uп. Светоизлучатель 7 на светодиоде (или лазерном диоде), включенном в прямом направлении последовательно в коллекторную цепь транзистора 13. Нагрузочный и токозадающий резисторы 14 и 15, имеющие сопротивления R1 и R2 и включенные соответственно в цепь коллектора транзистора 13 и последовательно со свето-излучателем 7 между его катодом и шиной электропитания схемы -Uп.The ball-electron-optical primary transducer of the flow of transparent liquids according to the first embodiment includes (Fig. 1): an optically transparent (glass or plastic) case, consisting of two identical
Внешний диаметр кольцевого канала D должен быть больше диаметра условного прохода d (трубопровода жидкости и проходного отверстия фланцев 8 и 9), чтобы струенаправляющий аппарат 11 и шарик 12 оказывали минимальное гидродинамическое сопротивление потоку жидкости.The outer diameter of the annular channel D must be larger than the diameter of the nominal bore d (fluid pipe and the bore of the
Из фиг. 1 видно, что фотоприемник 6 и светоизлучатель 7 расположены на одной оптической оси, перпендикулярной плоскости качения шарика 12, чтобы при вращении шарик перекрывал и рассеивал световой поток.From FIG. 1 it can be seen that the
В представленной на фиг. 1 конструкции шарикового преобразователя, когда шарик находится далеко от оптической оси, свет, излучаемый светодиодом 7, на пути до фотоприемника-фотодиода 6 три раза подвергается поглощению (материалом обеих частей корпуса 1 и 2 и жидкостью), отражению и преломлению на границах сред (воздух-корпус - два раза, жидкость-корпус - два раза) и, наконец, нельзя исключить дифракцию. Следовательно, до фотоприемника 6 достигает рассеянный свет, и шарик начинает влиять на освещенность фотоприемника, не достигнув свой поверхностью оптической оси «светоизлучатель-фотоприемник». По мере приближения центра шарика к оптической оси освещенность фотоприемника 6 будет уменьшаться до минимально возможной величины, зависящей от конструктивных особенностей преобразователя, соотношения геометрических размеров отдельных частей корпуса, струенаправляющего аппарата 11 и шарика, типа используемых материалов расходомера и вида жидкости, других факторов.In the embodiment of FIG. 1 of the design of the ball transducer, when the ball is far from the optical axis, the light emitted by the
Поэтому освещенность фотоприемника 6 и, следовательно, фототок фотодиода будут уменьшаться и, затем, увеличиваться плавно, причем, крутизна переднего и заднего фронтов будут стремительно уменьшаться при уменьшении скорости вращения шарика (расхода жидкости).Therefore, the illumination of the
В известной схеме оптоэлектронной пары «светоизлучатель-фотоприемник» (фиг. 2), светоизлучатель-светодиод VD1 и фотоприемник-фотодиод VD2 с усилителем тока на биполярном транзисторе VT1 функционируют независимо друг от друга. Светодиод VD1 излучает световой поток, фотодиод VD2, работающий в фотопреобразовательном режиме, осуществляет преобразование достигшего его рассеянного светового потока Ρ в фототок: Iф=kP, где k - коэффициент преобразования фотодиода, Ρ - световой поток.In the known scheme of the optoelectronic pair “light emitter-photodetector” (Fig. 2), the light emitter-LED VD1 and the photodetector-photodiode VD2 with a current amplifier on a bipolar transistor VT1 operate independently of each other. The LED VD1 emits a light flux, the photodiode VD2 operating in the photoconversion mode converts the diffused light flux его that reaches it into the photocurrent: Iph = kP, where k is the photodiode conversion coefficient, and Ρ is the light flux.
Амплитуда выходного сигнала известной оптоэлектронной схемы - это падение напряжения между коллектором и эмиттером транзистора VT1: Uвых=Uп-IфβR1, где β - коэффициент усиления по току биполярного транзистора VT1 в схема с общим эмиттером, Uп - напряжение питания. Так как фототок Iф возрастает и, затем, падает плавно при прохождении шарика через зону оптической оси «светоизлучатель-фотоприемник», то крутизна переднего и заднего фронтов выходного напряжения Uвых оптопары очень низкая, причем, она тем меньше, чем меньше частота вращения шарика (меньше расход жидкости). Такой сигнал должен нормироваться высокостабильным компаратором с использованием источника опорного напряжения с целью получения прямоугольных импульсов, пригодных по крутизне фронтов и амплитуде для стабильной работы электронно-счетного вторичного преобразователя.The amplitude of the output signal of the known optoelectronic circuit is the voltage drop between the collector and emitter of the transistor VT1: Uout = Uп-ИфβR 1 , where β is the current gain of the bipolar transistor VT1 into a circuit with a common emitter, Uп is the supply voltage. Since the photocurrent Iph increases and then falls smoothly as the ball passes through the zone of the optical axis “light emitter-photodetector”, the steepness of the leading and trailing edges of the output voltage Uout of the optocoupler is very low, and the smaller the speed of the ball (the lower fluid flow rate). Such a signal should be normalized by a highly stable comparator using a reference voltage source in order to obtain rectangular pulses suitable for the steepness of the edges and amplitude for stable operation of the electronically counted secondary converter.
Представленная на фиг. З заявленная электрическая схема благодаря действующей в ней положительной обратной связи позволяет получить нормированные прямоугольные импульсы выходного напряжения по амплитуде и крутизне фронтов без вспомогательного компаратора. Она может находиться только в двух устойчивых состояниях, определяемых положением шарика 12 относительно оптической оси между фотодиодом 6 и светодиодом 7.Presented in FIG. The claimed electrical circuit, thanks to the positive feedback acting in it, makes it possible to obtain normalized rectangular pulses of the output voltage in amplitude and steepness of the fronts without an auxiliary comparator. It can only be in two stable states, determined by the position of the
Состояние 1. Шарик находится на оптической оси «светоизлучатель-фотоприемник», то есть перекрывает световой поток, тогда фототок фотодиода, являющийся током базы 16 биполярного транзистора 13, очень мал. Так как транзистор включен по схеме с общим эмиттером, то его коллекторный ток Ik=βIб=βIφ также небольшой, где β - коэффициент усиления по току биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером.
Через светодиод 7 (VD1) протекает прямой ток Inp=(Un-Unp.VD1)/R2+Ik, где Uпр.VD1 - прямое падение напряжения на светодиоде 7 выбранного типа, R2 - сопротивление резистора 15 на фиг. 1. и фиг. 3. Так как резистор R2 должен иметь весьма большое сопротивление (что подтверждается экспериментально), и ток коллектора транзистора 13 (VT1) Ik=βI6=βIφ очень мал (так как шарик перекрывает световой поток), суммарный прямой ток светодиода Iпр также мал и, значит, светодиод 7 излучает очень небольшой световой поток.Direct current Inp = (Un-Unp. VD1 ) / R 2 + Ik flows through LED 7 (VD1), where Upr. VD1 - forward voltage drop across the
Итак, когда шарик перекрывает или рассеивает световой поток, и фотодиод 6 должен получать минимально возможное воздействие света, светодиод 7 снижает яркость своего свечения, так как протекающий через него прямой ток падает, то есть уменьшение фототока фотодиода 6 обусловлено не только перекрытием светового потока шариком, но и падением яркости свечения светодиода 7. Яркость свечения светодиода падает тем глубже и быстрее, чем больше коэффициент усиления по току β биполярного транзистора 13. В вышеизложенном состоит суть положительной обратной связи, возникающей при приближения шарика к оптической оси между светодиод ом и фотодиодом.So, when the ball blocks or scatters the light flux, and the
Сопротивление резистора 15 выбирается таким образом, чтобы в конкретной конструкции первичного преобразователя и при известной прозрачности жидкости прямой ток светоизлучателя-светодиода 7 не уменьшался меньше некоторой заданной величины, соответствующей началу рабочего участка световой характеристики светодиода. Это необходимо для исключения триггерного эффекта в работе схемы.The resistance of the
Состояние 2. Шарик не находится на оптической оси «светоизлучатель-фотоприемник», то есть не перекрывает световой поток. Тогда фототок, являющийся током базы транзистора 13, вводит транзистор в режим насыщения и на нем падает минимально возможное напряжение, называемое напряжением насыщения транзистора Uкэ.нас в схема с общим эмиттером. В этом состоянии схемы через резистор 14 будет протекать ток Iпр=(Uп-Uп.VD1-Uкэ.нас)/R1, где R1 - сопротивление резистора 14.
Теперь прямой ток, протекающий через светодиод 7, резко возрастет: Iпр=(Uп-Uпр.VD1)/R2+(Uп-Uпр.VD1-Uкэ.наc)/R1. Увеличение прямого тока светодиода приведет к увеличению яркости свечения светодиода.Now the direct current flowing through
Итак, когда шарик не перекрывает световой поток и не рассеивает его, то светодиод светится ярко, и фотодиод 6 получает необходимое воздействие света. Как только шарик начнет приближаться к оптической оси «светоизлучатель-фотоприемник» и, тем самым, снижать освещенность фотодиода 6, транзистор 13 начнет закрываться, его коллекторный ток будет снижаться и будет уменьшаться протекающий через светодиод 7 ток и, следовательно, яркость его свечения. Снижение яркости свечения светодиода вызывает еще большее падение фототока фотодиода 6, а транзистор 13 обеспечит еще большее снижение освещенности фотодиода.So, when the ball does not block the light flux and does not scatter it, the LED glows brightly, and
Таким образом, процессы перехода схемы из состояние 1 в состояние 2 и из состояние 2 в состояние 1, возникающие при вращении шарика, происходят значительно быстрее, чем в обычной оптоэлектронной схеме, не имеющей положительной обратной связи, причем, крутизна переходных процессов тем больше, чем больше коэффициент усиления по току β биполярного транзистора 13. Это особенно сильно проявляется при низких угловых скоростях вращения шарика (расходах жидкости).Thus, the processes of the transition of the circuit from
Выходным сигналом первичного преобразователя является импульсное напряжение между коллектором и эмиттером транзистора 13, амплитуда которого никак не зависит от скорости вращения шарика (расхода жидкости) и равна Uп-Uпр.VD1-Uк.нас.The output signal of the primary converter is the pulse voltage between the collector and emitter of the
На фиг. 4 показаны временные диаграммы выходного сигнала заявляемого шарикового электронно-оптического первичного преобразователя расхода жидкости и - пунктиром - выходного сигнала того же преобразователя, но в котором светоизлучатель и фотоприемники не связаны положительной обратной связью.In FIG. 4 shows timing diagrams of the output signal of the inventive ball-type electron-optical primary transducer of fluid flow and, dotted line, the output signal of the same transducer, but in which the light emitter and photodetectors are not connected by positive feedback.
По второму варианту в электронно-оптическом шариковом первичном преобразователе расхода огне- и взрывоопасной жидкости полная электроискровзрывобезопасность легко обеспечивается исключением электронной части (светоизлучателя 7, фотодиода 6, транзистора 13 с резисторами 14 и 15) вместе с клеммной коробкой из состава прибора. При этом взаимосвязь, как показано на фиг. 5, между гидромеханической частью шарикового первичного преобразователя расхода со светоизлучателем и фотоприемником осуществляется посредством оптоволоконного волоновода.According to the second option, in the electron-optical ball primary transducer of the flow rate of flammable and explosive liquids, complete electrical explosion safety is easily ensured by the exclusion of the electronic part (
На фиг. 5 первичный преобразователь не содержит никаких электрических компонентов, все они находятся на требуемом расстоянии во вторичном электронном преобразователе. На фиг. 5 позиции 6 и 7 обозначают торцевые части оптоволоконных волноводов.In FIG. 5, the primary converter does not contain any electrical components, all of them are at the required distance in the secondary electronic converter. In FIG. 5,
В обеих заявляемых конструкциях первичного преобразователя обеспечивается высокая помехоустойчивость и полностью исключаются электрохимические процессы в жидкости, так как нет электрического контакта электронной части с жидкостью. Полная защищенность первичного преобразователя от воздействия внешних электрических, магнитных и электромагнитных полей достигается, когда гидромеханическая часть прибора связана с светоизлучателем и фотоприемником оптоволоконным волноводом, размещенными во вторичном электронном преобразователе, то есть из состава измерительного прибора исключается электрическая линия связи.In both claimed designs of the primary Converter provides high noise immunity and completely eliminates the electrochemical processes in the liquid, as there is no electrical contact of the electronic part with the liquid. Full protection of the primary converter from the effects of external electric, magnetic and electromagnetic fields is achieved when the hydromechanical part of the device is connected to a light emitter and a photodetector by a fiber optic waveguide located in the secondary electronic converter, that is, the electric communication line is excluded from the composition of the measuring device.
Итак, заявленный шариковый первичный преобразователь расхода прозрачной или слабо прозрачной жидкости позволяет измерять расход электропроводных и неэлектропроводных, огне- и взрывоопасных жидкостей, что значительно расширяет его функциональные возможности и области практического использования, обеспечивает независимость параметров выходных импульсов от вида и химического состава жидкости, имеет высокую помехоустойчивость и не вызывает никакие нежелательные электрохимические процессы в жидкости.So, the claimed ball primary transducer of the flow rate of a transparent or slightly transparent liquid allows to measure the flow rate of electrically conductive and non-conductive, flammable and explosive liquids, which significantly expands its functionality and areas of practical use, provides independence of the output pulse parameters from the type and chemical composition of the liquid, has a high noise immunity and does not cause any unwanted electrochemical processes in the liquid.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014111729/28A RU2548055C1 (en) | 2014-03-26 | 2014-03-26 | Ball electronic-optical primary converter of clear liquid flow |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014111729/28A RU2548055C1 (en) | 2014-03-26 | 2014-03-26 | Ball electronic-optical primary converter of clear liquid flow |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2548055C1 true RU2548055C1 (en) | 2015-04-10 |
Family
ID=53296599
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014111729/28A RU2548055C1 (en) | 2014-03-26 | 2014-03-26 | Ball electronic-optical primary converter of clear liquid flow |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2548055C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2761416C1 (en) * | 2021-01-12 | 2021-12-08 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Universal ball liquid flow meter |
| RU209145U1 (en) * | 2021-08-02 | 2022-02-03 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Владимирский Государственный Университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых" (ВлГУ) | Ball flow meter for transparent media |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1543235A2 (en) * | 1988-01-18 | 1990-02-15 | Предприятие П/Я Р-6045 | Ball-type pickup for liquid consumption |
| SU1543236A1 (en) * | 1988-02-19 | 1990-02-15 | Казанский Авиационный Институт Им.А.Н.Туполева | Method of measuring consumption of saturated liquid |
| RU2112217C1 (en) * | 1996-01-03 | 1998-05-27 | Борис Дмитриевич Ефремов | Vortex flowmeter |
-
2014
- 2014-03-26 RU RU2014111729/28A patent/RU2548055C1/en active IP Right Revival
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1543235A2 (en) * | 1988-01-18 | 1990-02-15 | Предприятие П/Я Р-6045 | Ball-type pickup for liquid consumption |
| SU1543236A1 (en) * | 1988-02-19 | 1990-02-15 | Казанский Авиационный Институт Им.А.Н.Туполева | Method of measuring consumption of saturated liquid |
| RU2112217C1 (en) * | 1996-01-03 | 1998-05-27 | Борис Дмитриевич Ефремов | Vortex flowmeter |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2761416C1 (en) * | 2021-01-12 | 2021-12-08 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Universal ball liquid flow meter |
| RU209145U1 (en) * | 2021-08-02 | 2022-02-03 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Владимирский Государственный Университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых" (ВлГУ) | Ball flow meter for transparent media |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Sood et al. | Design and development of automatic water flow meter | |
| JPH09508708A (en) | Turbine wheel type flow measurement transducer | |
| US4051723A (en) | Force-type flowmeter | |
| US5865871A (en) | Laser-based forward scatter liquid flow meter | |
| JPH07318576A (en) | Fluid sensing device | |
| RU2548055C1 (en) | Ball electronic-optical primary converter of clear liquid flow | |
| RU2685798C1 (en) | Radio ball primary converter of liquid flow | |
| WO1998014760A9 (en) | Laser-based forward scatter liquid flow meter | |
| US4851666A (en) | Optical flow meter | |
| US3443432A (en) | Flowmeter | |
| RU2471154C1 (en) | Ball-type primary transducer of flow of electroconductive liquid | |
| CN110579249A (en) | Co-doped multimode fiber bragg grating based hot-wire flow sensor and manufacturing method thereof | |
| CN105806431A (en) | Mass flowmeter | |
| RU2566428C1 (en) | Universal electric ball primary flow converter of electroconducting fluid | |
| CA1053023A (en) | Constant area-ball type flowmeter | |
| CN200993584Y (en) | Insertion optical-fiber turbo flowmeter | |
| CA1059337A (en) | Measurement and control of fluid flow | |
| US8567259B1 (en) | Optical phase shift fluid flow velocity measurement mechanism | |
| CN104197967A (en) | Double-ring coaxial optical fiber turbine flow meter and test method | |
| Rehman et al. | Remote measurement of liquid flow using turbine and fiber optic techniques | |
| RU2777291C1 (en) | Ball flow meter for electrically conductive liquid | |
| RU2762946C1 (en) | Ball-type flow meter for electrically conductive liquid | |
| US4083242A (en) | Device for measuring the flow rate of fluid in a duct | |
| Medlock | The techniques of flow measurement | |
| Abu-Mahfouz | Flow Rate Measurements |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170327 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20200514 |
|
| PD4A | Correction of name of patent owner | ||
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20200713 Effective date: 20200713 |