RU2566428C1 - Universal electric ball primary flow converter of electroconducting fluid - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: ball primary flow converter of electroconducting fluid comprises a cylindrical body with a circular channel, where a ball may rotate freely, made of dielectric material with zero buoyancy in a fluid, a fixed jet-guiding device, a unit of electric signal pickup and three electrodes installed in the circular channel and in the plane of ball rolling of three electrodes, out of which the middle electrode is connected to the outlet, and two other electrodes are connected to the inverting and non-inverting inlets of the operational amplifier, so that electrical resistances of the fluid between the middle electrode and two other electrodes together with two auxiliary resistors create a positive and negative feedbacks, covering the operational amplifier and controlled by a rotary ball.

EFFECT: independence of the mode of operation of an output signal pickup unit, amplitude and slope of fronts of output square pulses on type and parameters of fluid, also temperature, high slope of fronts of output pulses even at very low flow rates of fluid, suppression of electrolysis and other electrochemical process in the area of electric contact of electrodes with fluid; elimination of the necessity to preset the converter for a specific type of fluid with specified parameters and conditions of operation of a primary converter, reduced requirements to material of electrodes and increased service life of a converter.

3 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в расходометрии любых электропроводных жидкостей, например воды, кислот, щелочей и их водных растворов, растворов солей в воде, в химической, фармацевтической, пищевой и других областях промышленности, в жилищно-коммунальном хозяйстве в автоматических системах учета потребления холодной и горячей воды. Особенно перспективно и технически эффективно использование заявленного универсального электрошарикового первичного преобразователя расхода (ЭШППР) электропроводной жидкости в составе счетчика количества теплоты для водяных систем теплоснабжения жилых и нежилых сооружений.The invention relates to measuring equipment and can be used in flow measurement of any electrically conductive liquids, such as water, acids, alkalis and their aqueous solutions, solutions of salts in water, in chemical, pharmaceutical, food and other industries, in housing and communal services in automatic systems metering the consumption of cold and hot water. Particularly promising and technically effective is the use of the claimed universal electro-ball primary flow rate converter (ESPPR) of electrically conductive liquid as part of a heat quantity counter for water heat supply systems of residential and non-residential buildings.

Известны варианты конструкций шариковых первичных преобразователей расхода (ШППР) жидкости в электрический сигнал, выделяющиеся среди других типов тахометрических расходомеров жидкости значительными преимуществами, которые обусловливают 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.].Known are the designs of ball primary converters of the flow rate (SPPR) of the liquid into an electrical signal, which stand out among other types of tachometric liquid flow meters with significant advantages that determine their preference when measuring the flow rate of water and aggressive liquids [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], 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. G01F 1/06, publ. 06/10/2005], consisting of a body of non-magnetic material, a restrictive sleeve, an open annular cavity with a ball, and a signal pick-up unit. The open annular cavity is formed by the inner surface of the housing and the outer surface of the limiting sleeve. The transducer housing on the opening side of the cavity with the ball placed in it has an annular recess stabilizing the rotation of the vortex flow.

Известен шариковый расходомер [SU №1591618 A1, кл. G01F 1/06, G01F 1/10, опубл. 27.05.1988], 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. G01F 1/06, G01F 1/10, publ. 05/27/1988], consisting of a housing with inlet and outlet nozzles. A displacer rod and a restrictive annular element, which forms a non-flowing cavity with a ball placed in it, are coaxially located inside the housing. The latter is communicated with the flow part of the annular gap. In the area where the ball is placed on the body, there is a signal pickup unit. To bring the ball into rotation, a flow guide device is made in the form of tangential channels located in an annular protrusion placed at the end of the restrictive ring element from the side of the flowing part of the housing.

Известен реверсивный датчик скоростного расходомера со свободноплавающим телом [SU №169814, кл. G01F, опубл. 17.03.1965], 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. 03/17/1965], consisting of a body made in the form of a cylindrical ring, to the outer wall of which two pipes 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 А, 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, сужающее устройство, установленное соосно перед первичным преобразователем и каналом для перепуска части потока, а также узел 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. G01F 1/06, publ. 10/07/1984], containing a measuring section of the pipeline with a primary transducer located in it, consisting of a cylindrical body with an annular channel, a jetting device, a jet straightener, and a ball, a constricting device mounted coaxially in front of the primary transducer and a channel for bypassing a part of the flow, as well as a removal unit electrical signal. In order to expand the range of flow measurements, the housing of the primary transducer is made with a diameter smaller than the diameter of the measuring pipeline, the channel for bypassing a part of the flow is formed between the housing of the primary transducer and the measuring pipeline, the primary transducer is mounted with the possibility of axial movement relative to the constricting device, and the diameter of the opening of the constricting device is made no less the maximum diameter of the housing of the primary Converter.

Во всех известных конструкциях вышеперечисленных шариковых преобразователей расхода жидкости в импульсный электрический выходной сигнал имеются недостатки, обусловленные использованием ферромагнитного шарика и магнитоиндукционного датчика:In all known constructions of the above-mentioned ball converters of fluid flow into a pulsed electrical output signal, there are disadvantages due to the use of a ferromagnetic ball and a magnetic induction sensor:

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 ферромагнитный шарик может остановиться в нижней точке кольцевого канала, то есть прекратить свое вращение.The non-buoyancy of the ferromagnetic ball makes the horizontal position of the transducer impossible, 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 обусловливают невозможность их использования при небольших расходах жидкости и горизонтальном положении.These three disadvantages of the known ball primary transducers of fluid flow with a ferromagnetic ball and the MFA make it impossible to use them at low fluid flow rates and 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 [патент РФ RU2471154 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 fluid [RF patent RU2471154 C1, IPC G01F 1/05, publ. 12/27/2012. Bull. No. 36], consisting of a cylindrical body with an annular channel in which the ball can rotate freely, a fixed flow guide apparatus and an electric signal pickup unit, the ball made of a dielectric material with zero buoyancy in the liquid, and the pickup unit of the electric signal consists of two electrodes, placed in the annular channel through the bushing, perpendicular to the ball rolling path and flush with the surface of the annular channel.

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 высокие чувствительность и линейность функции преобразования F=f(G) в широком диапазоне 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 freely rotate in the annular channel, the flow transducer has high sensitivity and linearity of the transformation function F = f (G) in a wide range of fluid flow rates, where F - pulse repetition rate, G - fluid flow rate.

Известный шариковый первичный преобразователь расхода электропроводной жидкости, являющийся прототипом, имеет недостатки:The known ball primary transducer flow rate of conductive fluid, which is a prototype, has the disadvantages of:

Первый недостаток прототипа является следствием влияния нескольких факторов на сопротивление жидкости между двумя электродами, находящимися в кольцевом канале. Сопротивление жидкости между находящимися в ней электродами зависит, во-первых, от вида жидкости, во-вторых, от концентрации в ней тех или иных химических соединений или элементов, в-третьих, температуры и давления жидкости. Поэтому каждый известный ШППР электропроводной жидкости может нормально функционировать и соответствовать заявленным параметрам только с одним конкретным типом жидкости и при выполнении перечисленных выше ограничительных условий. В противном случае электронная часть, формирующая выходное импульсное напряжение, выйдет из требуемого режима работы, и прибор перестанет работать.The first disadvantage of the prototype is a consequence of the influence of several factors on the fluid resistance between two electrodes located in the annular channel. The resistance of the liquid between the electrodes in it depends, firstly, on the type of liquid, secondly, on the concentration of certain chemical compounds or elements in it, and thirdly, the temperature and pressure of the liquid. Therefore, each known BSS of an electrically conductive liquid can function normally and correspond to the declared parameters with only one specific type of liquid and when the above limiting conditions are met. Otherwise, the electronic part forming the output pulse voltage will exit the required operating mode and the device will stop working.

Таким образом, прототип не является универсальным ШППР и даже при работе с конкретным типом электропроводной жидкости требует настройку электронной части в зависимости от ее параметров, что сужает области его практического использования, не гарантирует достоверную и надежную работу этого ШППР, так как температура и другие параметры жидкости могут изменяться и выйти за пределы рабочего диапазона.Thus, the prototype is not a universal hardwire and even when working with a specific type of conductive fluid requires the adjustment of the electronic part depending on its parameters, which narrows the field of its practical use, does not guarantee reliable and reliable operation of this hardwire, since the temperature and other parameters of the fluid may change and go beyond the operating range.

Второй недостаток прототипа обусловлен тем, что на поверхности электродов могут происходить электролиз, вызывающий газообразование, и другие нежелательные электрохимические процессы, которые будут искажать режим работы электронной части ШППР и даже могут вызвать химическое разрушение электродов, так как два электрода всегда находятся под напряжением постоянного тока, то есть полярность действующих на них потенциалов неизменна.The second disadvantage of the prototype is due to the fact that electrolysis can occur on the surface of the electrodes, causing gas formation, and other undesirable electrochemical processes that will distort the operating mode of the electronic part of the RFID and can even cause chemical destruction of the electrodes, since the two electrodes are always under constant voltage, that is, the polarity of the potentials acting on them is unchanged.

Неизменность полярности напряжения между электродами известного ШППР электропроводной жидкости поднимает значимость первого недостатка, требует изготовления электродов из такого металла или сплава металлов, который пригоден для конкретного типа жидкости.The constancy of the polarity of the voltage between the electrodes of the known BSCW of the electrically conductive liquid raises the significance of the first drawback, it requires the manufacture of electrodes from a metal or metal alloy that is suitable for a particular type of liquid.

Третий недостаток прототипа заключается в том, что 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 жидкости и ее количества.The third disadvantage of the prototype is that 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 liquid flow rate and its quantity.

Задачей изобретения является значительное расширение областей использования шарикового первичного преобразователя расхода электропроводной жидкости по видам жидкостей и их параметрам, увеличение точности преобразования и рабочего диапазона измерения расходов жидкости.The objective of the invention is to significantly expand the field of use of the ball primary transducer of the flow rate of electrically conductive liquids by type of fluid and their parameters, increase the accuracy of the conversion and the operating range of measurement of fluid flow.

Технический результат - независимость режима работы узла съема выходного сигнала, амплитуды и крутизны фронтов выходных прямоугольных импульсов от вида и параметров жидкости, высокая требуемая крутизна фронтов выходных импульсов при любых, даже при очень низких расходах жидкости, подавление электролиза и других электрохимических процессов в зоне электрического контакта электродов с жидкостью, исключение необходимости предварительной настройки ЭШППР под конкретный вид жидкости с заданными параметрами и условия эксплуатации первичного преобразователя, снижение требований к материалу электродов и увеличение срока эксплуатации преобразователя.EFFECT: independent operation mode of the output signal pickup unit, amplitude and steepness of the fronts of the output rectangular pulses from the type and parameters of the liquid, high required steepness of the fronts of the output pulses for any, even at very low flow rates, suppression of electrolysis and other electrochemical processes in the zone of electrical contact electrodes with liquid, eliminating the need to pre-configure the ESRP for a specific type of liquid with specified parameters and primary operating conditions transducer, reducing the requirements for the material of the electrodes and increasing the life of the transducer.

Поставленная задача решается и технический результат достигается шариковым первичным преобразователем расхода электропроводной жидкости, состоящим из цилиндрического корпуса с кольцевым каналом, в котором свободно может вращаться шарик, выполненный из диэлектрического материала с нулевой плавучестью в жидкости, неподвижного струенаправляющего аппарата, узла съема электрического сигнала и установленных в кольцевом канале и в плоскости качения шарика трех электродов, из которых средний электрод подключен к выходу, а два других электрода соединены с инвертирующим и неинвертирующим входами операционного усилителя, чтобы электрические сопротивления жидкости между средним электродом и двумя другими электродами вместе с двумя вспомогательными резисторами образовывали положительную и отрицательную обратные связи, охватывающие операционный усилитель и управляемые вращающимся шариком. Сущность изобретения поясняется чертежами.The problem is solved and the technical result is achieved by a ball primary transducer of the flow of electrically conductive liquid, consisting of a cylindrical body with an annular channel in which the ball freely made of dielectric material with zero buoyancy in the liquid, a stationary flow guide apparatus, an electrical signal pickup unit and installed in annular channel and in the rolling plane of the ball of three electrodes, of which the middle electrode is connected to the output, and two other elec kind of connected to the inverting and non-inverting inputs of the operational amplifier, the electrical resistance of the liquid between the middle electrode and two other electrodes, together with two auxiliary resistors formed positive and negative feedbacks, covering operational amplifier and driven rotating ball. The invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 представлен заявляемый универсальный ЭШППР в виде продольного сечения.In FIG. 1 presents the claimed universal ESHPR in the form of a longitudinal section.

На фиг. 2 показаны поперечное сечение Α-A ЭШППР, проходящее через плоскость качения шарика и три электрода, и электрическая схема узла съема выходного сигнала, размещенная в клеммной коробке.In FIG. 2 shows a cross-section Α-A of the ESRD passing through the rolling plane of the ball and three electrodes, and the electrical circuit of the output signal pick-up unit located in the terminal box.

На фиг. 3 изображены диаграммы входного дифференциального напряжения U_вх.диф(φ) и выходного импульсного напряжения U_вых(φ) операционного усилителя узла съема выходного сигнала ЭШППР, где угол φ определяет угловое положение шарика в кольцевом канале относительно среднего (на фиг. 2) электрода.In FIG. Figure 3 shows diagrams of the input differential voltage U _in.dif (φ) and the output pulse voltage U _output (φ) of the operational amplifier of the ESRP output signal pickup unit, where the angle φ determines the angular position of the ball in the annular channel relative to the middle (in Fig. 2) electrode.

Универсальный ЭШППР, как показано на фиг. 1 и фиг. 2, состоит из цилиндрического корпуса 1, изготовленного, например, из стекла или пластмассы, имеющего две части с коническими внутренними полостями, неподвижного струенаправляющего аппарата 2, диэлектрического шарика 3 с нулевой плавучестью в жидкости, трех электродов 4, 5 и 6, установленных заподлицо с поверхностью канала и в плоскости качения шарика, операционного усилителя 7, резисторов 8 и 9 и двух одинаковых фланцев 10, которые сжимают между собой корпус посредством шпилек и служат для присоединения ЭШППР к входному и выходному трубопроводам с помощью сварки или резьбового соединения. На фиг. 1 и фиг. 2 шпильки не показаны.A universal ESRR, as shown in FIG. 1 and FIG. 2, consists of a cylindrical body 1, made, for example, of glass or plastic, having two parts with conical internal cavities, a fixed flow guide device 2, a dielectric ball 3 with zero buoyancy in a liquid, three electrodes 4, 5 and 6, mounted flush with the surface of the channel and in the rolling plane of the ball, operational amplifier 7, resistors 8 and 9 and two identical flanges 10, which compress the housing by means of pins and serve to connect the ESR to the input and output piping Am by welding or threaded connection. In FIG. 1 and FIG. 2 studs not shown.

Неподвижный струенаправляющий аппарат 2 имеет несколько лопастей для преобразования линейного потока жидкости во вращающийся и втулку, которая вместе с внутренней поверхностью корпуса 1 образует кольцевой канал. Внутри кольцевого канала во вращающемся потоке жидкости свободно может вращаться шарик 3.The fixed flow guide device 2 has several blades for converting a linear fluid flow into a rotating one and a sleeve, which together with the inner surface of the housing 1 forms an annular channel. Inside the annular channel, a ball 3 can freely rotate in a rotating fluid flow.

Узел съема электрического выходного сигнала содержит операционный усилитель (ОУ) 7 с двухполярным питанием +U_П1 и -U_П2 и два резистора 8 и 9.The electrical output signal pickup unit comprises an operational amplifier (op amp) 7 with bipolar power supply + U _П1 and -U _П2 and two resistors 8 and 9.

Средний электрод 4 присоединен к выходу ОУ, два других - 5 и 6 - соединены соответственно с его неинвертирующим и инвертирующим входами, поэтому сопротивления жидкости между электродами 4-5 и 4-6 вместе с резисторами 9 и 8 формируют цепи соответственно положительной и отрицательной обратных связей, охватывающих ОУ.The middle electrode 4 is connected to the OA output, the other two - 5 and 6 - are connected respectively with its non-inverting and inverting inputs, therefore, the liquid resistances between the electrodes 4-5 and 4-6 together with resistors 9 and 8 form chains of positive and negative feedbacks, respectively covering opamp.

Коэффициенты положительной и отрицательной обратных связейPositive and Negative Feedback Coefficients

где:Where:

R₈ и R₉ - соответственно сопротивления резисторов 8 и 9;R ₈ and R ₉ - respectively, the resistance of the resistors 8 and 9;

R_4,5 и R_4,6 - сопротивления жидкости между электродами 4-5 и 4-6 соответственно.R _4,5 and R _4,6 are the resistance of the liquid between the electrodes 4-5 and 4-6, respectively.

Если сопротивление резистора 8 равно сопротивлению резистора 9, то есть R₈=R₉, сопротивления участков жидкости между электродами 4-5 и 4-6 одинаковы (R_4,5=R_4,6), то в соответствии с формулами (1) K_ПОС=K_ООС. Тогда при любом по полярности и величине выходного напряжения U_вых ОУ 7 его входное дифференциальное напряжение U_вх.диф будет равно нулю: U_вх.диф=K_ПОСU_вых-K_ООСU_вых=0. Когда на входе ОУ, не имеющего сдвига нуля выходного напряжения, U_вх.диф=0, выходное напряжение U_вых=K_u·U_вх.диф=0, где K_u - коэффициент усиления по напряжению ОУ.If the resistance of the resistor 8 is equal to the resistance of the resistor 9, that is, R ₈ = R ₉ , the resistance of the liquid sections between the electrodes 4-5 and 4-6 are the same (R _4,5 = R _4,6 ), then in accordance with formulas (1) K _PIC = K _OOS . Then, for any polarity and magnitude of the output voltage U _output ОУ 7, its input differential voltage U _in.dif will be zero: U _in.dif = K _POS U _output -K _{ООС Uout} = 0. When at the input of an op-amp that does not have a zero offset of the output voltage, U _in.dif = 0, the output voltage is U _out = K _u · U _in.dif = 0, where K _u is the gain in voltage of the op-amp.

Такое статическое состояние ЭШППР теоретически возможно только тогда, когда шарик находится в противоположной электродам части кольцевого канала и напротив среднего электрода 4, как на фиг. 2, расстояния между электродами 4-5 и 4-6 точно одинаковы, резисторы 8 и 9 изготовлены с идеальной точностью и ОУ 7 не имеет сдвига выходного напряжения.Such a static state of ESRR is theoretically possible only when the ball is in the opposite part of the annular channel and opposite the middle electrode 4, as in FIG. 2, the distances between the electrodes 4-5 and 4-6 are exactly the same, the resistors 8 and 9 are made with perfect accuracy and the op-amp 7 does not have an output voltage shift.

В реальном ЭШППР сопротивление резисторов 8 и 9 R8≠R9 в пределах технологического допуска, сопротивления участков жидкости между электродами 4-5 и 4-6 R_4,5≠R_4,6, так как расстояния между электродами 4-5 и 4-6 невозможно выполнять точно одинаковыми при изготовлении расходомера, реальный (интегральный) ОУ всегда имеет сдвиг нуля выходного напряжения. Поэтому даже тогда, когда шарик не влияет на сопротивления жидкости между электродами, коэффициенты K_ПОС и K_ООС не равны и, следовательно, входное дифференциальное напряжение ОУ U_вх.диф=K_ПОСU_вых-K_ООСU_вых≠0. Тогда выходное напряжение U_вых=±K_u-U_вх.диф и ограничивается максимально возможными значениями выходного напряжения используемого типа ОУ при заданных напряжениях питания +U_П1 и -U_П2.In real ESRR, the resistance of resistors 8 and 9 R8 ≠ R9 is within the technological tolerance, the resistance of fluid sections between the electrodes 4-5 and 4-6 R _4,5 ≠ R _4.6 , since the distances between the electrodes 4-5 and 4-6 it is impossible to perform exactly the same in the manufacture of the flowmeter, the real (integral) op-amp always has a zero offset of the output voltage. Therefore, even when the ball does not affect the resistance of the liquid between the electrodes, the coefficients K _POS and K _{OOS are} not equal and, therefore, the input differential voltage is OU U _in.dif = K _POS U _out -K _OOS U _o ≠ 0. Then the output voltage U _o = ± K _u -U _in.dif and is limited by the maximum possible values of the output voltage of the used type of op-amp at given supply voltages + U _П1 and -U _П2 .

Пусть K_ПОС>K_ООС, тогда входное дифференциальное напряжение ОУ U_вх.диф=±(K_ПОСU_вых-K_ООСU_вых), то есть оно имеет полярность относительно инвертирующего входа ОУ или положительную, если U_вых>0, или отрицательную, когда U_вых<0. Эти состояния благодаря положительной обратной связи и соотношению K_ПОС>K_ООС устойчивы до тех пор, пока шарик находится далеко от электродов 4, 5 и 6 и не влияет на сопротивления жидкости R_4,5 и R_4,6.Let K _POS > K _OOS , then the input differential voltage of the op-amp U _{input in.dif} = ± (K _POS U _output -K _OOS U _output ), that is, it has a polarity relative to the inverting input of the OS or positive if U _output > 0, or negative when U _out <0. Due to the positive feedback and the ratio K _POS > K _OOS, these states are stable as long as the ball is far from the electrodes 4, 5 and 6 and does not affect the resistance of the liquid R _4,5 and R _4,6 .

Предположим, что U_вых положительно, тогда напряжение на неинвертирующем входе ОУ более положительно, чем на входе инвертирующем, то есть U_вх.диф>0, тогда U_вых=K_u·U_вх.диф и также положительно и удерживает тем самым схему в данном состоянии.Assume that U _{o is} positive, then the voltage at the non-inverting input of the op-amp is more positive than at the inverting input, that is, U _in.dif > 0, then U _out = K _u · U _in.dif and also positive and thus holds the circuit in given condition.

Если струенаправляющий аппарат 2 ЭШППР заставляет вращаться шарик 3, например, по часовой стрелке, как показано на фиг. 2, то он, входя в зону кольцевого канала между электродами 4-5, будет увеличивать сопротивление жидкости R_4,5 между этими электродам, а сопротивление жидкости R_4,6 пока остается неизменным. Тогда согласно формулам (1) коэффициент положительной связи K_ПОС уменьшится и станет меньше коэффициента отрицательной обратной связи K_ООС. Так как теперь K_ПОС<K_ООС, дифференциальное входное напряжение ОУ U_вх.диф=K_ПОСU_вых-K_ООСU_вых станет отрицательным, и, следовательно, схема опрокинется во второе свое устойчивое состояние -выходное напряжение станет отрицательным максимально возможной величины (для используемого типа ОУ и заданных напряжениях питания +U_П1 и -U_П2).If the ESRD flow control apparatus 2 causes the ball 3 to rotate, for example, clockwise, as shown in FIG. 2, then, entering the zone of the annular channel between the electrodes 4-5, it will increase the resistance of the liquid R _4,5 between these electrodes, and the resistance of the liquid R _4,6 remains unchanged. Then, according to formulas (1), the positive feedback coefficient K _PIC will decrease and become less than the negative feedback coefficient K _OOS . Since now _PIC K <K _DUS op amp differential input voltage U _{vh.dif PIC} = K -K U _O U _{O DUS} becomes negative, and therefore, the circuit will capsize in its second stable state -Output voltage becomes negative maximum possible value ( for the type of op-amp used and the specified supply voltages + U _П1 and -U _П2 ).

Изменение полярности выходного напряжения благодаря положительной обратной связи происходит с максимальной скоростью для используемого типа ОУ, оцениваемой его параметром - скоростью нарастания выходного напряжения (размерность - В/мкс).The change in the polarity of the output voltage due to positive feedback occurs at the maximum speed for the type of op-amp used, estimated by its parameter, the rate of rise of the output voltage (dimension - V / μs).

Когда шарик, вращаясь в кольцевом канале по часовой стрелке, выйдет из зоны между контактами 4-5 и войдет в зону между контактами 4-6, коэффициент положительно обратной связи K_ПОС возрастет до исходного значения, а коэффициент отрицательной обратной связи K_ООС уменьшится в соответствии с формулами (1), то есть теперь K_ПОС>K_ООС. Значит, дифференциальное входное напряжение ОУ будет положительным и, следовательно, схема вернется в свое первоначальное состояние, когда выходное напряжение было положительным.When the ball, rotating clockwise in the annular channel, leaves the zone between contacts 4-5 and enters the zone between contacts 4-6, the positive feedback coefficient K _{PIC will} increase to the initial value, and the negative feedback coefficient K _OOS will decrease in accordance with formulas (1), that is, now K _POS > K _OOS . This means that the op-amp differential input voltage will be positive and, therefore, the circuit will return to its original state when the output voltage was positive.

Таким образом, при вращении шарика в кольцевом канале и K_ПОС>K_ООС полярность выходного напряжение ОУ и ЭШППР в целом изменяется два раза за один оборот, когда шарик пробегает под электродами сначала 4-5, а затем 4-6. Значит выходным сигналом является поток двухполярных импульсов, следующих с частотой, равной частоте вращения шарика.Thus, when the ball rotates in the annular channel and K _POS > K _{OOS, the} polarity of the output voltage of the op-amp and ESRD as a whole changes two times in one revolution, when the ball runs under the electrodes, first 4-5, and then 4-6. So the output signal is a stream of bipolar pulses following with a frequency equal to the frequency of rotation of the ball.

На фиг. 3 представлены диаграммы выходного напряжения U_вых=U_вых(φ) и входного дифференциального напряжения ОУ U_вх.диф=U_вх.диф(φ), где φ - угловое положение шарика относительно среднего электрода 4; φ₀ - угловое расстояние между электродами 4-5 и 4-6; U_вх.диф(π) - входное дифференциальное напряжение ОУ, когда шарик 3 находится напротив среднего электрода 4, то есть его угловое положение относительно электрода 4 равно π радиан, и он не влияет на сопротивление жидкости между электродами 4-5 и 4-6; +U_{вх.диф.m} - входное дифференциальное напряжение ОУ, когда шарик находится между электродами 4-6; -U_{вх.диф.m} - входное дифференциальное напряжение ОУ, если шарик находится между электродами 4-5.In FIG. 3 shows the diagram of the output voltage U _O = U _O (φ) and op amp input differential voltage U = U _{vh.dif vh.dif} (φ), where φ - the angular position of the ball relative to the middle electrode 4; φ ₀ is the angular distance between the electrodes 4-5 and 4-6; U _in.dif (π) is the input differential voltage of the op-amp when the ball 3 is opposite the middle electrode 4, that is, its angular position relative to the electrode 4 is π radians, and it does not affect the liquid resistance between electrodes 4-5 and 4-6 ; + U _in.dif.m - input differential voltage of the op-amp when the ball is between the electrodes 4-6; -U _in.dif.m - input differential voltage of the op-amp, if the ball is between the electrodes 4-5.

Входное дифференциальное напряжение ОУ, когда шарик не влияет на сопротивление жидкости между электродами 4-6 и 4-5,The input differential voltage of the op-amp, when the ball does not affect the resistance of the liquid between the electrodes 4-6 and 4-5,

U_вх.диф(π)=K_ПОСU_вых-K_оосU_вых=(U_ПОС-K_ООс)U_{вых Vh.dif} U (π) = K -K _PIC U _{out Wasps} U _out = (U -K _{PIC DUS)} U _O

и, учитывая формулы (1), получаем:and, taking into account formulas (1), we obtain:

С достаточной степенью точности для практики можно считать, что сопротивления участков жидкости R_4,5 и R_4,6 между электродами 4-5 и 4-6 равны (подтверждается экспериментально), тогда при R_4,5=R_4,6=R:With a sufficient degree of accuracy for practice, we can assume that the resistance of the liquid sections R _4,5 and R _4,6 between the electrodes 4-5 and 4-6 are equal (confirmed experimentally), then when R _4,5 = R _4,6 = R :

откуда следует, что начальное, принятое условие K_пос>K_оос можно выполнить и величину U_вх.диф(π) можно установить посредством сопротивлений R₈ и R₉ резисторов 8 и 9.whence it follows that the initial, accepted condition K _pos > K _ooc can be satisfied and the value of U _{input diff} (π) can be set by means of the resistances R ₈ and R _{9 of the} resistors 8 and 9.

Амплитуду отрицательного входного дифференциального напряжения ОУ, когда шарик находится между электродами 4-5, можно вычислить следующим образом:The amplitude of the negative input differential voltage of the op-amp, when the ball is between the electrodes 4-5, can be calculated as follows:

где $$K_{ПОС}^{*}$$

- коэффициент положительной обратной связи, когда шарик находится между электродами 4-5 и сопротивление жидкости между этими электродами $$R_{\mathrm{4,5}}^{*}=\alpha R_{\mathrm{4,5}}$$

, то есть оно увеличится в α раз.Where $$K_{P\mathrm{ABOUT}\mathrm{FROM}}^{*}$$

- positive feedback coefficient when the ball is between the electrodes 4-5 and the resistance of the liquid between these electrodes $$R_{}^{}$$$${}_{\mathrm{4,5}}^{*}=\mathrm{<figure-callout\; id="4"\; label="\alpha \; R"\; filenames="00000012.png"\; state="\{\{state\}\}">\alpha \; </figure-callout>}{R}_{}{}_{\mathrm{4,5}}$$

, that is, it will increase α times.

Согласно (1) $$K_{ПОС}^{*}=R_9/(R_9+\alpha R_{\mathrm{4,5}})$$

, и так как начальные сопротивления между электродами 4-5 и 4-6 одинаковы с достаточной степенью точности (R_4,5=R_4,6=R), $$K_{ПОС}^{*}=R_9/(R_9+\alpha R)$$

.According to (1) $$K_{P\mathrm{ABOUT}\mathrm{FROM}}^{*}=R_9/(R_9+\mathrm{<figure-callout\; id="4"\; label="\alpha \; R"\; filenames="00000012.png"\; state="\{\{state\}\}">\alpha \; </figure-callout>}{R}_{}{}_{\mathrm{4,5}})$$

, and since the initial resistances between the electrodes 4-5 and 4-6 are the same with a sufficient degree of accuracy (R _4,5 = R _4,6 = R), $$K_{P\mathrm{ABOUT}\mathrm{FROM}}^{*}=R_9/(R_9+\alpha R)$$

.

Учитывая значение $$K_{ПОС}^{*}$$

,Given the importance $$K_{P\mathrm{ABOUT}\mathrm{FROM}}^{*}$$

,

или после несложных алгебраических преобразованийor after simple algebraic transformations

На диаграммах U_вх.диф(φ) и U_вых(φ) видно, что ОУ изменяет свое состояние и выходной сигнал ЭШППР имеет форму двухполярных прямоугольных импульсов, если выполняются два условия: U_вх.диф(π)>0 и -U_{вх.диф.m}<0.On the diagrams U _{input diff} (φ) and U _output (φ) it is seen that the opamp changes its state and the output signal of the ESRP has the form of bipolar rectangular pulses if two conditions are satisfied: U _{input diff} (π)> 0 and -U _{input .dif.m} <0.

Из выражений (2) и (3) следует, что условия работоспособности заявленного ЭШППР выполняются, если соответственно R₉>R₈ и R₉<αR₈.From the expressions (2) and (3) it follows that the working conditions of the declared ESRP are fulfilled if, respectively, R ₉ > R ₈ and R ₉ <αR ₈ .

Из данных двух соотношений сопротивлений R₈ и R₉ резисторов 8 и 9 следует фундаментальное для заявленного ЭШППР требование: R₈<R₉<αR₈, которое не зависит от сопротивлений жидкости между электродами 4-6 и 4-5 и тем самым свидетельствует о независимости режима работы узла формирования выходного импульсного сигнала ЭШППР от вида электропроводной жидкости и ее физико-химических параметров. Поэтому заявленный ШППР можно считать универсальным, то есть пригодным к расходометрии различных электропроводных жидкостей без предварительной настройки под конкретный вид жидкости и ее заданные параметры.From these two ratios of resistances R ₈ and R _{9 of} resistors 8 and 9, the fundamental requirement for the declared ESRR follows: R ₈ <R ₉ <αR ₈ , which does not depend on the resistance of the liquid between the electrodes 4-6 and 4-5 and thereby indicates the independence of the operating mode of the unit for generating the output pulse signal of ESRR from the type of conductive fluid and its physicochemical parameters. Therefore, the claimed SPPR can be considered universal, that is, suitable for flow metering of various electrically conductive fluids without preliminary adjustment for a specific type of fluid and its predetermined parameters.

Настройка заявленного ЭШППР производится только один раз на заключительной стадии его изготовления: в узле формирования выходного сигнала устанавливаются резисторы 8 и 9, сопротивления которых связаны соотношением R₈<R₉<αR₈.The claimed ESRD is set up only once at the final stage of its manufacture: resistors 8 and 9 are installed in the output signal generating unit, the resistances of which are connected by the ratio R ₈ <R ₉ <αR ₈ .

Коэффициент изменения сопротивления жидкости α, равный отношению сопротивлений жидкости между электродами 4-5 или 4-6, когда между ними находится шарик и его под ними нет, зависит только от конструктивных особенностей гидромеханической части ЭШППР - формы поперечного сечения и геометрических размеров кольцевого канала, диаметра шарика, расстояния между электродами и их расположения относительно плоскости качения шарика.The coefficient of variation of the fluid resistance α, equal to the ratio of the resistance of the fluid between the electrodes 4-5 or 4-6, when the ball is between them and there is no ball under them, depends only on the design features of the hydromechanical part of the ESRP - the shape of the cross section and the geometric dimensions of the annular channel, diameter ball, the distance between the electrodes and their location relative to the rolling plane of the ball.

Необходимо особо отметить влияние температуры на точность преобразования расхода жидкости в частоту следования выходных импульсов, как на один из основных дестабилизирующих факторов в измерительной технике.It is necessary to especially note the effect of temperature on the accuracy of converting the fluid flow rate to the output pulse repetition rate, as one of the main destabilizing factors in the measurement technique.

В заявленном ЭШППР изменение температуры вызывает изменение сопротивлений резисторов 8 и 9 в соответствии с их температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) и температурный дрейф приведенного к входу напряжения смещения и разности входных токов используемого ОУ.In the claimed ESRD, a temperature change causes a change in the resistances of the resistors 8 and 9 in accordance with their temperature coefficient of resistance (TCS) and the temperature drift of the bias voltage and the input current difference of the op amp used brought to the input.

Если в узел формирования выходного напряжения ЭШППР установлены однотипные резисторы 8 и 9 (тем более с одинаковой датой выпуска), то согласно формулам (1), (2) и (3) изменение их сопротивлений с одинаковым ТКС не приведет к изменению режима работы электронной части преобразователя и, следовательно, температурному смещению функции преобразования F=f(G).If the same type of resistors 8 and 9 (especially with the same release date) are installed in the ESHPR output voltage generating unit, then according to formulas (1), (2) and (3), a change in their resistances with the same TCS will not lead to a change in the operation mode of the electronic part converter and, consequently, the temperature offset of the conversion function F = f (G).

Температурный дрейф входных параметров ОУ приводит к смещению функции U_вх.диф(φ) непрогнозируемо в положительном или отрицательном направлении. При этом длительность, например, импульса положительной полярности возрастет, длительность импульса отрицательного снизится на такую же величину, но переход и частота останутся неизменными. При использовании интегрального ОУ прецизионного типа температурным дрейфом его входных параметров можно пренебречь в нормированном диапазоне рабочих температур.The temperature drift of the input parameters of the opamp leads to a shift in the function U _in.dif (φ) unpredictably in the positive or negative direction. In this case, the duration, for example, of a pulse of positive polarity will increase, the duration of a pulse of negative will decrease by the same amount, but the transition and frequency will remain unchanged. When using an integrated op amp of precision type, the temperature drift of its input parameters can be neglected in the normalized range of operating temperatures.

Итак, заявленное изобретение позволяет значительно расширить области использования шарикового первичного преобразователя расхода электропроводной жидкости за счет его универсализации по видам жидкостей и их физико-химическим параметрам, увеличить рабочий диапазон измерения расхода жидкости и точность преобразования благодаря получению технического результата:So, the claimed invention allows to significantly expand the field of use of a ball primary transducer flow rate of conductive fluid due to its universalization by type of fluid and their physico-chemical parameters, to increase the working range of measuring fluid flow rate and conversion accuracy due to the technical result:

Во-первых, выходное напряжение ЭШППР двухполярное, поэтому на электроде 4 напряжение переменное с амплитудой, равной максимально возможному выходному напряжению ОУ выбранного типа при заданных напряжениях питания +U_П1 и -U_П2, на электродах 5 и 6 напряжения также будут переменными с амплитудами соответственно K_ПОСU_вых и K_ООСU_вых.Firstly, the output voltage of the ESRMB is bipolar, therefore, the voltage on electrode 4 is variable with an amplitude equal to the maximum possible output voltage of the op-amp of the selected type for given supply voltages + U _П1 and -U _П2 , the voltage on electrodes 5 and 6 will also be variable with amplitudes, respectively K _PIC U _o and K _OOS U _o

Значит, так как электроды 4, 5 и 6 находятся под напряжением переменного тока, возможные электролиз и другие нежелательные электрохимические процессы на поверхности электродов будут подавляться [Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. М.: Высшая школа, 1962, стр. 649].So, since the electrodes 4, 5 and 6 are under alternating current voltage, possible electrolysis and other undesirable electrochemical processes on the surface of the electrodes will be suppressed [L. Bessonov Theoretical foundations of electrical engineering. M.: Higher School, 1962, p. 649].

Во-вторых, достигаются максимально возможная крутизна фронтов выходных двухполярных импульсов, ограниченная только быстродействием используемого ОУ (параметром - скоростью нарастания выходного напряжении), и стабильные амплитуды положительных и отрицательных импульсов, фиксированные напряжениями питания ЭШППР +U_П1 и -U_П2, независящие от угловой скорости вращения шарика и, следовательно, от величины расхода жидкости, а также ее вида и физико-химических параметров.Secondly, the maximum possible steepness of the fronts of the output bipolar pulses is achieved, limited only by the speed of the used op-amp (the parameter is the slew rate of the output voltage), and stable amplitudes of positive and negative pulses, fixed by the supply voltage ESPR + U _P1 and -U _P2 , independent of the angular the speed of rotation of the ball and, therefore, on the magnitude of the fluid flow rate, as well as its type and physico-chemical parameters.

Claims (1)

Шариковый первичный преобразователь расхода электропроводной жидкости, состоящий из цилиндрического корпуса с кольцевым каналом, в котором свободно может вращаться шарик, выполненный из диэлектрического материала с нулевой плавучестью в жидкости, неподвижного струенаправляющего аппарата, электродов, размещенных в кольцевом канале заподлицо с его поверхностью, и узла съема электрического сигнала, отличающийся тем, что в кольцевом канале и в плоскости качения шарика установлены три электрода, из которых средний электрод подключен к выходу, а два других электрода соединены с инвертирующим и неинвертирующим входами операционного усилителя таким образом, что электрическими сопротивлениями жидкости между средним электродом и двумя другими электродами вместе с двумя вспомогательными резисторами образованы положительная и отрицательная обратные связи, охватывающие операционный усилитель. Ball-type primary transducer of flow of electrically conductive liquid, consisting of a cylindrical body with an annular channel in which a ball freely made of dielectric material with zero buoyancy in a liquid, a fixed flow guide apparatus, electrodes placed in an annular channel flush with its surface, and a removal unit can freely rotate electrical signal, characterized in that in the annular channel and in the rolling plane of the ball are three electrodes, of which the middle electrode is connected to move, and the other two electrodes are connected to the inverting and non-inverting inputs of the operational amplifier so that the electrical resistance between the middle electrode of the liquid and the other two electrodes with two subsidiary resistors are formed by positive and negative feedbacks, covering operational amplifier.

Images