расходомер-счетчик газа
Классы МПК: | G01F1/10 с использованием вращающихся лопаток с аксиальным впуском |
Автор(ы): | Смирнова Светлана Васильевна (RU), Рахимбердиева Сания Ринатовна (RU) |
Патентообладатель(и): | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ") (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2010-11-30 публикация патента:
27.07.2012 |
Расходомер-счетчик газа содержит корпус (35) с входным и выходными каналами, узел радиально-осевой турбинки, размещенной в кожухе (10). Кожух выполнен в виде стакана-демпфера с вертикальными чередующимися пазами-окнами с возможностью перемещения вдоль вертикальной оси вращения, представляющей собой каркас. Каркас состоит из верхней (8) и нижней (7) конических частей, цилиндрической части (22) с профилированными по высоте окнами (21), в створе которых установлены лопатки (6), юбки-демпфера (19) и наружного кольца крепления лопаток, патрубка с внутренним коническим срезом (33), образующим совместно с нижней конической частью (7) каркаса основное кольцевое сопло, и дополнительными соплами (5), преобразователя частоты вращения турбинки в электрический сигнал (28) и электронную цепь обработки сигнала. Дополнительные сопла (5) выполнены в виде щелей, образованных скошенными в тангенциальном направлении вращения турбинки пазами, выполненными на коническом срезе патрубка, и нижней конической частью каркаса турбинки, с направлением струи на область перехода радиально-осевой части лопатки в осевую. Вертикальная ось вращения турбинки выполнена в виде вала с цапфами, закрепленными в подшипниках на донышках кожуха, или в виде струны с кернами, закрепленными в подшипниках на донышках кожуха. Расходомер-счетчик газа снабжен манотензорезистивным корректором плотностной поправки (42), выполненным в виде отдельного узла-вставки, размещенным в верхней части корпуса и содержащим герметичную газонаполненную корректирующую камеру, упругий деформационный элемент с тензорезистивным преобразователем, разделяющий герметичную газонаполненную корректирующую камеру от выходной полости расходомера, терморезистивной цепочкой уменьшения остаточной температурной погрешности, подключенными в электронную цепь обработки сигнала. Технический результат -уменьшение нижнего предела измерения, расширение рабочего диапазона измерения расхода газа по массе, повышение точности и эксплуатационной надежности. 8 з.п. ф-лы, 4 ил.
Формула изобретения
1. Расходомер-счетчик газа, содержащий корпус с входным и выходными каналами,
- узел радиально-осевой турбинки, размещенной в кожухе, выполненном в виде стакана-демпфера с вертикальными чередующимися пазами-окнами, и выполненной с возможностью перемещения вдоль вертикальной оси вращения, представляющей собой каркас, состоящий из верхней и нижней конических частей, цилиндрической части с профилированными по высоте окнами, в створе которых установлены лопатки, юбки-демпфера и наружного кольца крепления лопаток;
- патрубок с внутренним коническим срезом, образующим совместно с нижней конической частью каркаса основное кольцевое сопло, и дополнительными соплами;
- преобразователь частоты вращения турбинки в электрический сигнал и электронную цепь обработки сигнала,
отличающийся тем, что дополнительные сопла выполнены в виде щелей, образованных скошенными в тангенциальном направлении вращения турбинки пазами, выполненными на коническом срезе патрубка, и нижней конической частью каркаса турбинки.
2. Расходомер-счетчик газа по п.1, отличающийся тем, что дополнительные сопла выполнены с направлением струи на область перехода радиально-осевой части лопатки в осевую.
3. Расходомер-счетчик газа по п.1, отличающийся тем, что вертикальная ось вращения турбинки выполнена в виде вала с цапфами, закрепленными в подшипниках на донышках кожуха.
4. Расходомер-счетчик газа по п.1, отличающийся тем, что вертикальная ось вращения турбинки выполнена в виде струны с кернами, закрепленными в подшипниках на донышках кожуха
5. Расходомер-счетчик газа по п.3, отличающийся тем, что при подвеске турбинки на валу с цапфами преобразователь частоты вращения турбинки в электрический сигнал выполнен в виде оптоэлектронного преобразователя, модулятор светового потока которого закреплен на валу и выполнен в виде оптического окна или диска с чередующимися прорезями, а на кожухе турбинки размещена оптопара.
6. Расходомер-счетчик газа по п.4, отличающийся тем, что при подвеске турбинки на струне с кернами преобразователь частоты вращения турбинки в электрический сигнал выполнен в виде оптоэлектронного преобразователя, при этом наружное кольцо крепления лопаток содержит продольные чередующиеся окна или полосы с различной отражательной способностью, а на кожухе узла турбинки закреплены элементы оптоэлектронного преобразователя, работающего на «отражение» светового потока.
7. Расходомер-счетчик газа по п.4, отличающийся тем, что при подвеске турбинки на струне с кернами преобразователь частоты вращения турбинки в электрический сигнал выполнен в виде индуктивного преобразователя, при этом наружное кольцо крепления лопаток выполнено в виде токопроводящего экрана и содержит продольные вертикальные чередующиеся окна, а на кожухе узла турбинки закреплена катушка индуктивности с ферромагнитном сердечником, включенная в электронную цепь обработки сигнала.
8. Расходомер-счетчик газа по п.1, отличающийся тем, что расходомер снабжен манотензорезистивным корректором плотностной поправки, выполненным в виде отдельного узла-вставки, размещенного в верхней части корпуса и содержащего герметичную газонаполненную корректирующую камеру, упругий деформационный элемент с тензорезистивным преобразователем, отделяющий герметичную газонаполненную корректирующую камеру от выходной полости расходомера,
- терморезистивной цепочкой уменьшения остаточной температурной погрешности,
подключенными в электронную цепь обработки сигнала.
9. Расходомер-счетчик газа по п.8, отличающийся тем, что микроконтроллер электронной цепи обработки сигнала реализует зависимости по измерению расхода газа по массе G=kQv и количеству израсходованного газа за время t выраженных в приведенных единицах объемного расхода и количества,
где - безразмерная чувствительность корректора плотностной поправки, учитывающая влияние на работу турбинки изменения давления рг и температуры Тг газа, а также коррекцию остаточной температурной погрешности расходомера в целом; k 0 - чувствительность корректора при давлении рг и температуре Тг газа, равных номинальным значениям рг=рк и Тг=Тн; k рT - чувствительность корректора при отклонении давления рг и температуры Тг газа от номинальных размеров; рг и рк - давления газов в выходной полости расходомера и в корректирующей камере; µ - барометрический коэффициент основной поправки корректора; -температурный коэффициент поправки корректора; - коэффициент взаимосвязи барометрической и температурной поправок корректора; Тг и Тн - температура газа в выходной полости расходомера и ее номинальная величина; А - результирующий температурный коэффициент остаточной поправки корректора с учетом остаточной погрешности расходомера в целом, определяемый путем эксперимента; G - выходной сигнал по расходу газа [м3/ч]; V - израсходованное количество газа, выраженное в приведенных единицах его объема [м3]; kQv=dG/d - дифференциальная чувствительность преобразования частоты вращения турбинки в выходной сигнал по расходу; Q v - чувствительность преобразования собственно расхода газа в частоту вращения турбинки, включающая масштабно-размерностный коэффициент учета приведения расхода и количества газа к объемным единицам.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области расходометрии и предназначено для измерения израсходованного природного газа по массе в жилищно-бытовых условиях, а модификации устройства можно использовать в энергетике, промышленности, медицине, при научных исследованиях.
Известны устройства для измерения расхода газа (патент RU № 2193757, G01F 1/82, 1/12, Массовый турбинный расходомер, опубл. 27.11.2002, и патент RU № 2243507, G01F 1/08, «Счетчик газа-расходомер», опубл. 27.12.2004) - [1, 2], в которых применяется тахометрический принцип измерения расхода газа. Основными недостатками аналогов являются большие габариты, низкая чувствительность к малым расходам газа, недостаточная точность измерения, отсутствие корректирующих устройств.
Прототипом предлагаемого изобретения является «Расходомер-счетчик газа» по патенту RU № 2134405, G01F 1/10, опубл. 10.08.99 - [3]. В этом расходомере-счетчике газа используется радиально-осевая турбинка с лопатками и вертикальной осью вращения, выполненной в виде вала. Для стабилизации и демпфирования вращения турбинки служат коническая часть и юбка. В цилиндрической части каркаса выполнены профилированные по высоте окна, в створе которых закреплены лопатки под изменяющимися по высоте углами по отношению к оси вращения и радиальному направлению, с основным соплом, образованным конической частью каркаса и кольцевым коническим патрубком, расположенным внутри цилиндрической части каркаса турбинки, а также с дополнительными соплами и дополнительными лопатками. Расходомер-счетчик имеет корпус с входным и выходным каналами, дефлекторы, основание и кожух турбинки в виде стакана-демпфера с чередующимися пазами-окнами и стержнями, в донышках которых предусмотрены окна для прохода газа.
Прототипу присущи следующие недостатки. При использовании термоанеморезистивного преобразователя (ТАРП) на больших расходах газа характеристика выходного сигнала от входного сигнала плывет. В результате это приводит к снижению верхнего диапазона измерения. Вместо ТАРП применяется оптоэлектронный преобразователь (ОЭП). Дополнительные сопла выполнены в виде щелей, что трудоемко и не технологично.
В конструкции используются дополнительные лопатки, которые утяжеляют конструкцию турбинки, в результате уменьшается чувствительность к малым расходам газа.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, - увеличение чувствительности измерения, тем самым позволяя расширить рабочий диапазон измерения расхода газа по массе, существенно повысить точность и эксплуатационную надежность.
Технический результат достигается тем, что в расходомере-счетчике газа, содержащем корпус с входным и выходными каналами, узел радиально-осевой турбинки, размещенной в кожухе, выполненном в виде стакана-демпфера с вертикальными чередующимися пазами-окнами и выполненной с возможностью перемещения вдоль вертикальной оси вращения, представляющей собой каркас, состоящий из верхней и нижней конических частей, цилиндрической части с профилированными по высоте окнами, в створе которых установлены лопатки, юбки-демпфера и наружного кольца крепления лопаток, патрубок с внутренним коническим срезом, образующим совместно с нижней конической частью каркаса основное кольцевое сопло, и дополнительными соплами, преобразователь частоты вращения турбинки в электрический сигнал и электронную цепь обработки сигнала, новым является то, что дополнительные сопла выполнены в виде щелей, образованных скошенными в тангенциальном направлении вращения турбинки пазами, выполненными на коническом срезе патрубка, и нижней конической частью каркаса турбинки.
В предлагаемом расходомере-счетчике газа дополнительные сопла выполнены с направлением струи на область перехода радиально-осевой части лопатки в осевую.
Вертикальная ось вращения турбинки может быть выполнена в виде вала с цапфами, закрепленными в подшипниках на донышках кожуха или в виде струны с кернами, закрепленными в подшипниках на донышках кожуха.
При подвеске турбинки на валу с цапфами преобразователь частоты вращения турбинки в электрический сигнал выполнен в виде оптронного преобразователя, модулятор светового потока которого закреплен на валу и выполнен в виде оптического окна или диска с чередующимися прорезями, а на кожухе турбинки размещена оптопара.
При подвеске турбинки на струне с кернами преобразователь частоты вращения турбинки в электрический сигнал выполнен в виде оптронного преобразователя, при этом наружное кольцо крепления лопаток содержит продольные чередующиеся окна или полосы с различной отражательной способностью, а на кожухе узла турбинки закреплены элементы оптронного преобразователя, работающего на «отражение» светового потока.
При подвеске турбинки на струне с кернами преобразователь частоты вращения турбинки в электрический сигнал выполнен в виде индуктивного преобразователя, при этом наружное кольцо крепления лопаток выполнено в виде токопроводящего экрана и содержит продольные вертикальные чередующиеся окна, а на кожухе узла турбинки закреплена катушка индуктивности с ферромагнитном сердечником, включенная в электронную цепь обработки сигнала.
Расходомер снабжен манотензорезистивным корректором плотностной поправки, выполненным в виде отдельного узла-вставки, размещенным в верхней части корпуса и содержащим герметичную газонаполненную корректирующую камеру, упругий деформационный элемент с тензорезистивным преобразователем, разделяющий герметичную газонаполненную корректирующую камеру от выходной полости расходомера, терморезистивной цепочкой уменьшения остаточной температурной погрешности, подключенными в электронную цепь обработки сигнала.
Микроконтроллер электронной цепи обработки сигнала реализует
зависимости по измерению расхода газа по массе G=kQv и количеству израсходованного газа за время t
выраженных в приведенных единицах объемного расхода и количества, где
- безразмерная чувствительность корректора плотностной поправки, учитывающая влияние на работу турбинки изменения давления рг и температуры Тг газа, а также коррекцию остаточной температурной погрешности расходомера в целом; k0 - чувствительность корректора при давлении рг и температуре Тг газа, равным номинальным значениям pг=pк и T г=Tн; kpT - чувствительность корректора при отклонении давления рг и температуры Тг газа от номинальных размеров; рг и рк - давления газов в выходной полости расходомера и в корректирующей камере; µ - барометрический коэффициент основной поправки корректора; - температурный коэффициент поправки корректора; - коэффициент взаимосвязи барометрической и температурной поправок корректора; Тг и Тн - температура газа в выходной полости расходомера и ее номинальная величина; А - результирующий температурный коэффициент остаточной поправки корректора с учетом остаточной погрешности расходомера в целом, определяемый путем эксперимента; G - выходной сигнал по расходу газа [м3/ч]; V - израсходованное количество газа, выраженное в приведенных единицах его объема [м3]; kQv=dG/d - дифференциальная чувствительность преобразования частоты вращения турбинки в выходной сигнал по расходу; Q v - чувствительность преобразования собственно расхода газа в частоту вращения турбинки, включающая масштабно-размерностный коэффициент учета приведения расхода и количества газа к объемным единицам.
Турбинка в верхней части содержит наружное крепежное кольцо, в котором закреплены лопатки, профиль выпуклости части лопатки в сечении плоскостью, перпендикулярной оси вращения турбинки, на уровне верхнего среза профилированного окна имеет эллипсовидную форму с увеличенным эксцентриситетом по отношению к другим частям лопатки, хорда выпуклости образует с радиальным направлением угол установки лопатки, равный 10° 25°, отсчитанный в противоположном вращению турбинки направлении, а в области нижней кромки лопатки - 5° 15°. Развертка на плоскость пространственной кривой лобовой кромки основной лопатки имеет форму гиперболы с плавным переходом в области верхнего среза профилированного окна от нижней до верхней части лопатки при угле между касательными в точках пересечения гиперболы с нижней и верхней кромками лопатки не менее 160°.
Оптоэлектронный преобразователь размещен на кожухе турбинки, а выход оптоэлектронного преобразователя соединен с электронным преобразователем, осуществляющим разделения сигнала оптоэлектронного преобразователя по частоте импульсов f, их интенсивности W. Для измерения давления и температуры газа в корпусе размещена манометрическая коробка, которая также соединена с электронным преобразователем. Частота импульсов f, их интенсивность W и изменение температуры далее используются для вычисления массового расхода G м в микроконтроллере в соответствии с алгоритмом:
где - плотность газа; S - площадь живого сечения потока в зоне лопастей крыльчатки; v - скорость вращения турбинки; G М - массовый расход газа; Qv - объемный расход газа.
Динамическое уравнение для измерения расхода определяется по следующей формуле:
и
где H - ход винтовой нарезки лопастей; DЛ - диаметр наибольшей окружности лопастей тангенциальной крыльчатки.
Постоянные величины определяются на основе проведения многофакторного эксперимента из условий минимальной дисперсии погрешностей для заданных эксплуатационных требований.
Сущность изобретения раскрывается на фиг.1 4, где
Фиг.1 - Схема узла подвешенной на струне турбинки.
Фиг.2 - Турбинный счетчик расхода газа с корректором по давлению и температуре.
Фиг.3 - Варианты размещения ОЭП.
Фиг.4 - Схема установки манотензорезистивного корректора плотностной поправки.
Здесь: 1 - державка центрирующей оси (струны); 2 - демпфирующая камера; 3 - нижний неподвижный магнит; 4 - внешнее кольцо с кольцами каркаса; 5 - дополнительные щелевые сопла; 6 - лопатка турбинки; 7 - нижняя коническая часть каркаса; 8 - верхняя коническая часть каркаса; 9 - подвижный магнит турбинки; 10 - кожух узла турбинки; 11 - верхний подшипник скольжения; 12 - верхний магнит турбинки; 13 - центрирующая ось (струна); 14 - верхний и нижний керны; 15 - нижний подшипник скольжения; 16 - конфузор (срез) конического патрубка, образующий основное сопло; 17 - нижние дефлекторы; 18 - внутреннее кольцо с регулируемыми окнами, направляющими потоки газа на лопатки; 19 - юбка каркаса (поршень) турбинки; 20 - фильтр; рс и рп - давление газа на нижней и верхней конических частях каркаса 7 и 8; 21 - профилированные окна; 22 - наружное кольцо крепления лопаток; 23 - внутренняя камера для выхода газа; 24 - крышка; 25 - камера для установки платы; 26 - цифровой индикатор; 27 - оптическое окно; 28 - оптический модулятор; 29 - светодиод; 30 - фотодиод; 31 - отверстия в кожухе для выхода газа; 32 - цилиндрическая часть каркаса; 33 - патрубок; 34 - кольцевая демпфирующая камера; 35 - каркас счетчика; 36 - диск с отверстиями; 37 - оптический модулятор (светодиод-фотодиод); 38 - мембрана или манометрическая коробка; 39 - крышка блока корректора; 40 - трубка-штуцер; 41 - упругий деформационный элемент с тензорезистивным преобразователем (консольная упругая балка с тензорезисторами); 42 - манотензорезистивный корректор плотностной поправки (блок корректора); 43 - электрические выводы; 44 - проточный канал; 45 - корпус расходомера; G - расход газа; рк и рr - давления газов в коррекционной камере и в проточном канале.
На фиг.1 приведена схема узла подвешенной на струне турбинки, которая состоит из кожуха узла турбинки 10 с нижним 7 и верхним 8 коническими дисками ступицы, радиально-осевой турбинки с вертикальной осью 13 вращения на державке центрирующей оси 1 в верхнем 11 и нижнем 15 подшипниках скольжения. На оси 13 закреплен керн 14. Турбинка состоит из нижней 7 и верхней 8 конических частей каркаса, включающего цилиндрическую часть 32 (фиг.2), а также внутреннее кольцо с регулируемыми окнами, направляющими потоки газа на лопатки 18 и юбку каркаса турбинки 19. В наружном кольце крепления лопаток 22 (фиг.2) и юбке каркаса турбинки закреплены профилированные лопатки 6 в створе профилированных окон 21 (фиг.2), выполненных в цилиндрической части каркаса 32 (фиг.2). Внутри цилиндрической части 32 каркаса турбинки (фиг.2) образовано основное сопло, созданное кольцевым патрубком 33 и нижней конической частью 7 каркаса турбинки. В верхней части патрубка 33 установлены дополнительные сопла 5 под углами 25 45° (в зависимости от требований технического задания) относительно радиального направления и 60 80° относительно оси вращения турбинки. При этом в соответствии с числом лопаток 6 и окон их протяженностью (шириной) выбираем число и "протяженность" щелей сопел. Если турбинка содержит пять основных лопаток, тогда целесообразно установить семь дополнительных сопел (желательно выбрать нечетное и некратное друг другу число). Тогда при одном полном повороте турбинки последовательно повторится 5·7=35 чередующихся (перекрестных) состояний и каждое состояние охватит угол в 360:35=10,18'. В период наступления каждого состояния только одно дополнительное сопло 5 окажется открытым окном с лопаткой 6 турбинки, а все остальные дополнительные сопла будут перекрытыми цилиндрической частью 32 каркаса. Тем самым в режиме малых расходов газа интенсивность струи открытого сопла существенно увеличивается. Естественно, необходимо предусмотреть должное перекрытие упомянутых 35 состояний за счет выбора ширины окон и "протяженности" щелей дополнительных сопел, что позволяет исключить "мертвое" состояние турбинки.
На конических частях 7 каркаса установлены осевые подшипники скольжения 11 и 15, позволяющие перемещаться турбинке вдоль оси вращения. Для обеспечения линейности характеристики и снижения нагрузки на подшипники скольжения 11 и 15 на конических частях 7 установлен подвижный магнит 9, изготовленный из высококоэрцитивных материалов (например, самарий, феррит бария, кобальт и другие). Этот магнит 9 взаимодействует с неподвижным магнитом 12, установленным на донышке основания и донышке кожуха 10 узла турбинки и намагниченными встречно, компенсируя аэродинамическую подъемную силу при больших расходах. Траектория движения потока газа на фиг.1 показана пунктирными линиями.
В верхней части патрубка 16 основного сопла закреплены дополнительные сопла 5 встречно направлению установки основных лопаток 6, установленных относительно радиального и осевого направлений под изменяющимися углами в створе профилированных окон, выполненных в цилиндрической части 18 каркаса турбинки. В донышках 1 и 21 основания и кожуха 4 турбинки закреплены подшипники 3 и 12 оси вращения турбинки и магниты 11 и 15, взаимодействующие с магнитами 22 и 23, установленными на конических частях 7 каркаса. Дополнительные лопатки, выполненные идентично осевой части основных лопаток, установлены в промежутках между основными лопатками и закреплены периферийными кромками в наружном крепежном кольце 20. В кожухе 10 установлен оптоэлектронный преобразователь, соединенный с электронным преобразователем для формирования сигналов по частоте вращения турбинки. Изобретение позволяет повысить эксплуатационную надежность и точность измерения.
На фиг.2 приведен турбинный счетчик расхода газа с корректором по давлению и температуре, который состоит из каркаса 35 с входным и выходным каналами, содержащими защитные сетки-фильтры и дефлекторы (на фиг.2 не показаны), узла радиально-осевой турбинки с вертикальной осью вращения, выполненной в виде вала 13 с цапфами, которые опираются на каменные упорно-опорные подшипники, кожуха 10 узла турбинки в виде стакана-демпфера с чередующимися пазами окнами, на котором закреплена оптоэлектронная пара - светодиод 29 и фотодиод 30, камеры для установки платы 25, цифрового индикатора 26 и оптического окна 27 для снятия показаний.
Турбинка состоит из верхней 8 и нижней 7 конических частей каркаса, включающего цилиндрическую часть 32 с профилированными по высоте окнами 21, в створе которых установлены лопатки 6, юбку каркаса турбинки 19 и наружное кольцо 22 крепления лопаток 6.
Патрубок 33 концентрически соединен с кожухом 10 и образует в нижней части кольцевую демпфирующую камеру 34. Демпфирование позволяет уменьшить осевые колебания турбинки и предохраняет ее от ударов при резком прекращении расхода газа.
На коническом срезе патрубка 33 выполнены в виде пазов 5 дополнительные щелевые сопла, скошенные в тангенциальном направлении вращения турбинки, позволяющие при малых расходах газа извлечь максимально возможную часть его кинетической энергии. В случае когда перекрыто основное кольцевое сопло, образованное верхней частью патрубка 33 совместно с нижней конической частью каркаса турбинки, газ направляется через щелевые сопла 5 и профилированные окна 21 на лопатки 6, лобовая часть которых находится в створе окон. Траектория движения газа показана стрелками.
На фиг.2 показан узел оптоэлектронного преобразователя, состоящий из оптического модулятора 28, светодиода 29 и фотодиода 30. Схема работает следующим образом. При облучении поверхности фотоприемника генерируются импульсы напряжения с частотой, пропорциональной частоте вращения турбинки Т. Эти импульсы подаются на вход микроконтроллера (МК). К выходу МК подключен жидкокристаллический индикатор.
На фиг.3 представлены варианты размещения ОЭП, где на фиг.3,а изображен вариант установки диска с отверстиям 36 и оптического модулятора 37 на одной плоскости, а на фиг.3,б - вариант установки диска с отверстиями 36 между светодиодом и фотодиодом.
На фиг.4 представлена схема установки манотензорезистивного корректора плотностной поправки. Блок корректора 42 выполнен в цельном цилиндрическом корпусе с негерметичной крышкой 24. Подвижный жесткий центр мембраны 38 опирается посредством кулачка на консольно закрепленную упругую балку 41 с кремниевыми (или проводниковыми) тензорезисторами на поверхности сапфировой деформационной части, включенными через электрические герметизированные выводы 43 в дифференциальную мостовую цепь. Трубка-штуцер 40 служит для герметизации и заполнения камеры корректора нейтральным газом до выбранного начального давления рk0. Полость 25 размещения электронных элементов имеет достаточно большой объем для надлежащей компоновки и монтажа блока корректора 42, блока электрического питания, операционного усилителя, микроконтроллера и цифрового индикатора 26 с негерметичным оптическим окном 27. Коническая негерметичная крышка 24 надежно закрывает полость и крепится посредством резьбы выходного штуцера расходомера и специального ключа. Соединительный кабель связывает расходомер с электросетью питания и повторителем показаний, а также через квартирный микроконтроллер, домовой контроллер и модем с системой контроля жилищно-коммунальной информации.
При питании мостовой схемы с тензорезисторами стабилизированным напряжением выходной сигнал в виде напряжения Uк( p, T) зависит от деформации балки с тензорезисторами, вызванной разностью давлений рг измеряемого газа и давления рк газа в коррекционной камере, а также от изменения T температуры камеры, влияющей на давление рк , характеристику манометрической коробки и тензорезистивного преобразователя:
где =1/273,16 К - температурный коэффициент давления.
Перепады давления, возникающие за счет изменения собственно давления рг газа в расходомере, изменяются в пределах ±15 кПа, а перепады давления за счет изменения температуры корректора (газа) изменяются в пределах ±5,5 кПа. Поэтому возможные суммарные изменения перепадов давления на корректоре достигают больших величин, порядка ±20,5 кПа, которые с достаточно высокой точностью (2 3%) преобразуются манотензорезистором в аналоговый электрический сигнал ±2 В.
Требуемую точность коррекции (порядка 2 5%) можно обеспечить манотензорезистором, выполненным в виде плоской сапфировой мембраны с кремниевыми резисторами, включенными в дифференциально-мостовую цепь. При этом остаточную температурную погрешность, которая на порядок меньше плотностной, уменьшаем посредством терморезистора, размещенного в коррекционной камере, а остаточная плотностная погрешность измерения расхода газа по массе окажется в гарантийных пределах:
= Gmp/Gm=±16,8·(0,02 0,05)=±0,3 0,8%,
что представляется хорошим точностным результатом для квартирного оптоэлектронного расходомера-счетчика потребления газа по массе.
Работа расходомера-счетчика газа заключается в следующем. При поступлении малых расходов газа порядка 0,01 м3/ч газодинамические силы на лопатках (6) формируют вращающий момент турбинки, что вызывает ее вращение. Частота вращения турбинки преобразуется ОЭП (37) в электрический сигнал, который выводится на цифровой индикатор (оптическое окно) (27).
При увеличении расхода газа открывается основное сопло и расходомер-счетчик газа начинает работать как ротаметр, турбинка выполняет функции поплавка. Преобразование частоты вращения в расход происходит так же с учетом высоты подъема турбинки и с поправкой на соответствующий диапазон по расходу.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает получение высокой точности измерения расхода благодаря введению в конструкцию устройства коррекции по температуре и давлению, уменьшение габаритно-массовых характеристик счетчика, сделать более технологичным изготовление элементов конструкции, в частности турбинного узла расходомера. Также реализуется возможность получения результата измерения в цифровом формате с одновременным обработкой его в микроконтроллере, и передача данных централизованно в жилищно-коммунальные службы по сбору информации о потреблении и оплате энергоресурсов. Для удобства снятия данных панель индикации вынесена отдельно от счетчика расхода и может быть помещена в любом удобном потребителю месте.
Класс G01F1/10 с использованием вращающихся лопаток с аксиальным впуском