датчик для определения расхода, плотности и температуры с замкнутой системой колебаний

Формула изобретения

Датчик для определения расхода, плотности и температуры жидкой или газообразной среды с замкнутой системой колебаний, содержащий корпус, выполненный в виде цилиндра с входным и выходным отверстиями, резонатор, расположенный внутри корпуса, термочувствительный элемент, расположенный внутри корпуса, и преобразователь, отличающийся тем, что резонатор образует замкнутую механическую колебательную систему камертонного типа, выполнен из двух соосных труб разного диаметра, соединенных верхними основаниями друг с другом и нижними основаниями друг с другом посредством верхних и нижних фигурных втулок соответственно, причем нижние фигурные втулки прикреплены к корпусу через сильфон, кроме того, датчик содержит вибратор расходомера, выполненный в виде тонкой пластины и приваренный боковыми ребрами к внутренней поверхности внутренней трубы резонатора с возможностью рассекания потока контролируемой среды на две симметричные части, датчик возбуждения колебаний расходомера, датчик съема колебаний расходомера, датчик возбуждения колебаний плотномера и датчик съема колебаний плотномера, вкрученные во внешнюю трубу резонатора и равноудаленные от верхнего и нижнего оснований внешней трубы резонатора, причем датчик возбуждения колебаний расходомера и датчик съема колебаний расходомера расположены перпендикулярно к поверхности вибратора расходомера и находятся напротив друг друга, а датчик возбуждения колебаний плотномера и датчик съема колебаний плотномера расположены перпендикулярно ребру вибратора расходомера и сдвинуты относительно датчика возбуждения колебаний расходомера и датчика съема колебаний расходомера на 90°, усилитель расходомера, соединенный входом с датчиком съема колебаний расходомера, выходом с датчиком возбуждения колебаний расходомера через ключ расходомера, и образующий с данными элементами, вибратором расходомера и резонатором автоколебательный контур расходомера, усилитель плотномера, соединенный входом с датчиком съема колебаний плотномера через ключ плотномера, выходом с датчиком возбуждения колебаний плотномера, и образующий с данными элементами и резонатором автоколебательный контур плотномера, при этом к входам преобразователя подключены усилитель расходомера, усилитель плотномера и термочувствительный элемент, а к выходам преобразователя подключены ключ плотномера, ключ расходомера, регистратор плотности и температуры и регистратор расхода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения расхода, плотности и температуры контролируемой среды - жидкой или газообразной. Изобретение может быть использовано в нефтехимической, пищевой, химической промышленности, тепловой и атомной энергетике, в коммунальном хозяйстве и других производствах, где необходимо измерять расход, плотность и температуру жидких и газообразных сред.

Из уровня техники известен датчик для определения плотности и температуры жидкой и газообразной среды (а.с. № 855461, МПК G01N 25/02, опубликовано 15.08.1981), содержащий вибраторы в виде пустотелых цилиндров, термочувствительный элемент, электромагнитные катушки, усилители, преобразователь, регистратор плотности и температуры. Недостатками данного изобретения является сложность конструкции, невысокая точность измерений, а также невозможность определения расхода контролируемой среды.

Кроме того, из уровня техники известен датчик для определения расхода жидкой и газообразной среды с замкнутой системой колебаний проточного типа (патент РФ № 2430334, МПК G01F 1/56, G01F 1/74, G01F 1/84, опубликован 27.09.2011). Данный датчик содержит резонатор (вибратор), расположенный внутри корпуса с входным и выходным отверстиями, датчики возбуждения и съема колебаний расходомера, расположенные на резонаторе, усилитель расходомера, образующие автоколебательный контур, преобразователь и регистратор расхода. При этом резонатор образует замкнутую механическую колебательную систему камертонного типа и выполнен из двух соосных труб разного диаметра, соединенных верхними основаниями друг с другом и нижними основаниями друг с другом посредством верхних и нижних фигурных втулок соответственно, нижние фигурные втулки прикреплены к корпусу через сильфон. Во внешнюю трубу резонатора вкручены датчики возбуждения и съема колебаний расходомера, равноудаленные от верхнего и нижнего оснований внешней трубы резонатора. Усилитель расходомера соединен входом с датчиком съема колебаний расходомера, выходом с датчиком возбуждения колебаний расходомера через ключ, и подключен выходом к преобразователю. Выход преобразователя подключен к регистратору, отображающему величину расхода жидкой или газообразной среды. Однако данное устройство предназначено только для измерения расхода и не определяет плотность и температуру контролируемой среды.

Наиболее близким аналогом изобретения является датчик проточного типа для определения различных параметров контролируемой среды, в частности, расхода, плотности и температуры (патент РФ № 2390733, МПК G01F 1/84, G01F 1/74, G01F 25/00, G01F 1/34, опубликован 10.11.2009), содержащий корпус, выполненный цилиндрическим, с входным и выходным отверстиями, резонатор, расположенный внутри корпуса и выполненный в виде трубы, электромеханические возбуждающие устройства, приводящие к вибрациям контролируемой среды в датчике, термочувствительный элемент, расположенный внутри корпуса, преобразователь и регистратор плотности, температуры и расхода контролируемой среды. Недостатками данного изобретения является сложность конструкции, недостаточная точность измерений и надежность работы.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение надежности работы, точности определения, увеличение срока эксплуатации за счет увеличения функциональности и отсутствия подвижных частей. Изобретение предназначено как для определения расхода, так и для определения плотности и температуры, при этом его можно эксплуатировать при высокой температуре (до 400 градусов) и высокой влажности. Кроме того, устройство имеет стойкость к ионизирующему излучению.

Сущность изобретения заключается в том, что датчик для определения расхода, плотности и температуры жидкой или газообразной среды с замкнутой системой колебаний содержит корпус, резонатор, вибратор расходомера, датчик возбуждения колебаний расходомера, датчик съема колебаний расходомера, датчик возбуждения колебаний плотномера, датчик съема колебаний плотномера, термочувствительный элемент, усилитель расходомера, усилитель плотномера, преобразователь, регистратор плотности и температуры и регистратор расхода. Корпус выполнен в виде цилиндра с входным и выходным отверстиями. Резонатор расположен внутри корпуса и образует замкнутую механическую колебательную систему камертонного типа. При этом резонатор выполнен из двух соосных труб разного диаметра, соединенных верхними основаниями друг с другом и нижними основаниями друг с другом посредством верхних и нижних фигурных втулок соответственно, причем нижние фигурные втулки прикреплены к корпусу через сильфон. Вибратор расходомера выполнен в виде тонкой пластины и приварен боковыми ребрами к внутренней поверхности внутренней трубы резонатора с возможностью рассекания потока контролируемой среды на две симметричные части. Датчик возбуждения колебаний расходомера, датчик съема колебаний расходомера, датчик возбуждения колебаний плотномера и датчик съема колебаний плотномера вкручены во внешнюю трубу резонатора и равноудалены от верхнего и нижнего оснований внешней трубы резонатора. При этом датчик возбуждения колебаний расходомера и датчик съема колебаний расходомера расположены перпендикулярно к поверхности вибратора расходомера и находятся напротив друг друга, а датчик возбуждения колебаний плотномера и датчик съема колебаний плотномера расположены перпендикулярно ребру вибратора расходомера и сдвинуты относительно датчика возбуждения колебаний расходомера и датчика съема колебаний расходомера на 90 градусов. Усилитель расходомера соединен входом с датчиком съема колебаний расходомера, выходом с датчиком возбуждения колебаний расходомера через ключ расходомера и образует с данными элементами, вибратором расходомера и резонатором автоколебательный контур расходомера. Усилитель плотномера соединен входом с датчиком съема колебаний плотномера через ключ плотномера, выходом с датчиком возбуждения колебаний плотномера и образует с данными элементами и резонатором автоколебательный контур плотномера. К входам преобразователя подключены усилитель расходомера, усилитель плотномера и термочувствительный элемент, а к выходам преобразователя - ключ плотномера, ключ расходомера, регистратор плотности и температуры и регистратор расхода.

На фиг.1 изображен датчик расхода, плотности и температуры с замкнутой системой колебаний, на фиг.2 - автоколебательные контуры расходомера, плотномера и схема измерения расхода, плотности и температуры. Датчик расхода, плотности и температуры содержит резонатор 7, вибратор расходомера 2, корпус 3, сильфон 4, датчик возбуждения колебаний расходомера 5, датчик съема колебаний расходомера 6, датчик возбуждения колебаний плотномера 7, датчик съема колебаний плотномера 8, усилитель расходомера 9, усилитель плотномера 10, ключ расходомера 11, ключ плотномера 12, преобразователь 13, регистратор плотности и температуры 14, регистратор расхода 15, термочувствительный элемент 16, входное отверстие 77, выходное отверстие 18.

Датчик расхода, плотности и температуры с замкнутой системой колебаний состоит из корпуса 3, выполненного в виде вертикального цилиндра (см. фиг.1). Внутри корпуса 3 закреплен резонатор 7, выполненный в виде двух соосных труб одинаковой высоты и разного диаметра (внешней и внутренней), внешняя и внутренняя трубы расположены с зазором друг относительно друга. Верхние основания внешней и внутренней труб резонатора 1, также как и нижние основания внешней и внутренней труб резонатора 7, соединены друг с другом фигурными втулками (соответственно, верхней и нижней), образуя в сечении замкнутый цилиндрический камертон - замкнутую механическую колебательную систему камертонного типа. Нижние фигурные втулки прикреплены к нижнему основанию корпуса 3 через сильфон 4. Внутри корпуса 3 соосно ему расположен термочувствительный элемент 16 ниже уровня нижней фигурной втулки резонатора 1 на 15-20 мм от камертонного разветвления внешней и внутренней трубы резонатора 1 (показанное на фиг.1 расположение термочувствительного элемента является частным случаем, и термочувствительный элемент 16 также может быть расположен выше уровня верхней фигурной втулки резонатора 1 на 15-20 мм от камертонного разветвления внешней и внутренней трубы резонатора 7). Во внешнюю трубу резонатора 1 вкручены датчик возбуждения колебаний расходомера 5, датчик съема колебаний расходомера 6, датчик возбуждения колебаний плотномера 7 и датчик съема колебаний плотномера 8. Каждый из датчиков 5, 6, 7, 8 равноудалены от верхнего и нижнего оснований внешней трубы резонатора 1. Внутри корпуса 3 закреплен вибратор расходомера 2 в виде длинной тонкой пластины, приваренной боковыми ребрами к внутренней поверхности внутренней трубы резонатора 1 и расположенной вдоль потока контролируемой среды с возможностью рассекания потока на две симметричные части. При этом датчик возбуждения колебаний расходомера 5 и датчик съема колебаний расходомера 6 расположены перпендикулярно к поверхности вибратора расходомера 2 и находятся напротив друг друга. Датчик возбуждения колебаний плотномера 7 и датчик съема колебаний плотномера 8 расположены перпендикулярно ребру вибратора расходомера 2 и сдвинуты относительно датчика возбуждения колебаний расходомера 5 и датчика съема колебаний расходомера 6 на 90 градусов. Датчик съема колебаний расходомера 6 подсоединен к входу усилителя расходомера 9 (см. фиг.2), выход которого через ключ расходомера 11 подсоединен к датчику возбуждения колебаний расходомера 5. Датчик съема колебаний плотномера 8 через ключ плотномера 72 подсоединен к входу усилителя плотномера 10, выход которого подсоединен к датчику возбуждения колебаний плотномера 7. Усилитель расходомера 9, усилитель плотномера 10 и термочувствительный элемент 16 подключены к преобразователю 13. Выходы от преобразователя 13 подключены к ключу расходомера 77, ключу плотномера 72, регистратору плотности и температуры 14 и регистратору расхода 15. Регистратор 14 отображает выходной сигнал, характеризующий величину плотности и температуры контролируемой среды, а регистратор 15 - выходной сигнал, характеризующий величину расхода контролируемой среды.

Датчик расхода, плотности и температуры работает следующим образом.

Поток контролируемой среды (жидкой или газообразной) поступает в датчик расхода, плотности и температуры через входное отверстие 77 и выводится через выходное отверстие 18 корпуса 3, т.е. датчик расхода, плотности и температуры является датчиком проточного типа (датчик также будет работать и при поступлении потока контролируемой среды снизу вверх, в таком случае позицией 18 обозначено входное отверстие, позицией 17 - выходное отверстие). В исходном состоянии преобразователь 13 размыкает ключом расходомера 11 автоколебательный контур расходомера, и данный контур не возбужден. Резонатор 1, датчик возбуждения колебаний плотномера 7, датчик съема колебаний плотномера 8 и усилитель плотномера 10 через ключ плотномера 72 собраны в автоколебательный контур плотномера, который возбуждается на резонансной частоте. Резонансная частота данного контура находится в квадратичной зависимости от плотности контролируемой среды и конструкции резонатора 7. Данная частота поступает в преобразователь 13, в который одновременно поступает сигнал с термочувствительного элемента 16. После производства вычислений и корректировки показаний плотномера по температуре сигнал поступает на регистратор 14 и запоминается в преобразователе 13 для дальнейшей корректировки показаний расходомера по плотности. На регистратор 14 могут быть выведены так же показания встроенного датчика температуры. После цикла измерения плотности преобразователь 13 коммутирует датчик съема колебаний плотномера 8 при помощи ключа плотномера 72 на общий провод, прекращая колебания автоколебательного контура плотномера, и собирает автоколебательный контур расходомера, подключая выход усилителя расходомера 9 через ключ расходомера 77 к датчику возбуждения колебаний расходомера 5.

Датчик съема колебаний расходомера 6, датчик возбуждения колебаний расходомера 5, усилитель расходомера 9 через ключ расходомера 77, вибратор расходомера 2 и резонатор 7 собраны в автоколебательный контур расходомера. При данном включении контур расходомера возбуждается на резонансной частоте. Резонансная частота определена конструкцией заявленного датчика. При возникновении колебаний в колебательном контуре расходомера в вибраторе расходомера 2 возникают поперечные колебания, частота которых зависит от конструкции резонатора 7, вибратора расходомера 2, расхода и плотности контролируемой среды. Резонансная частота резонатора 7 так же зависит от конструкции самого резонатора 7, от конструкции вибратора расходомера 2, расхода и плотности контролируемой среды. Сигнал с автоколебательного контура расходомера со второго выхода усилителя расходомера 9 поступает на вход преобразователя 13, который регистрирует его и выдает сигнал на ключ расходомера 11 для разрыва автоколебательного контура расходомера (отсоединяя датчик возбуждения колебаний 5 от первого выхода усилителя 9) и измерения времени затухания. Преобразователь 13 измеряет время затухания колебаний. При этом датчик съема колебаний расходомера 6 остается присоединенным к входу усилителя 9, со второго выхода которого сигнал также поступает на вход преобразователя 13. При этом преобразователь 13 считает время затухания колебаний со времени выдачи сигнала на ключ расходомера 11 и до установленной на корпораторе преобразователя 13 у ставки затухания колебаний. Изменение времени затухания прямо пропорционально расходу контролируемой среды. После измерения времени затухания колебаний контура расходомера и вычисления массового расхода преобразователем 13 результаты вычисления расхода корректируются в зависимости от показаний плотномера. Откорректированные показания расходомера по плотности выводятся на регистратор расхода 15. Данный процесс возобновляется после измерения времени затухания.

Использование предлагаемого устройства обеспечивает по сравнению с существующими устройствами значительное увеличение срока эксплуатации (до 30 лет), надежности работы, повышение точности определения расхода (до 0,5 кг/час), плотности (до 0,001 г/см³) и температуры (до 0,01 градуса).

Устройство готовится к использованию АЭС РБМК, ВВЭР для определения расхода, плотности и температуры теплоносителя в технологических каналах и на других позициях, где необходимо измерять расход, плотность и температуру контролируемой среды.