Результат интеллектуальной деятельности: Способ температурной коррекции мембранного счетчика газа с вращательным клапаном газораспределения и устройство для его реализации

Изобретение относится к способу температурной коррекции измерения объема газа в объемных мембранных счетчиках с вращательным клапаном газораспределения.

В настоящее время важной проблемой является эффективное определение объемов потребления энергоресурсов, а в частности - природного газа. Предлагаемое изобретение может найти применение для эффективного учета расхода газа в бытовых и производственных целях.

Известен способ коррекции объема измеряемого газа (и устройство для его осуществления, см. патент US 4498346 A МПК G01F 12/02 12.02.1985 - прототип), основанный на регулировании передаточного числа счетного устройства с изменением температуры. Корректируют передаточное число трансмиссии таким образом, что частота вращения выходного вала соответствует объему газа прошедшего через счетчик при нормальной температуре.

Недостатками известного технического решения являются высокая погрешность измерений, которая связана с большим количеством трущихся поверхностей, сложность конструкции для его реализации, большое количество деталей, требующих точного изготовления, высокая трудоемкость сборки, большие габариты относительно размеров мембранных счетчиков газа с вращательным клапаном газораспределения.

Известен мембранный газовый счетчик, содержащий несколько измерительных камер и вращательный клапан, установленный с возможностью вращения относительно фиксированной оси вращения на верхней поверхности блока распределения, в которой выполнены несколько отверстий, каждое из которых связано с одной измерительной камерой, причем этот распределительный элемент чередующимся образом обеспечивает возможность входа газа в упомянутые измерительные камеры и его выход из этих камер в процессе вращательного движения этого распределительного клапана относительно оси его вращения. Приведение распределительного элемента во вращательное движение осуществляется синхронно с движением мембран благодаря устройству передачи, содержащему некоторое количество рычагов, а также двух кривошипов. В процессе осуществления чередующихся поступательных движений мембран, упомянутые рычаги преобразуют эти поступательные движения во вращательное движение, передаваемое на кривошипы. При этом кривошипы передают свое вращательное движение, с одной стороны, на распределительный элемент, а с другой стороны, на совокупность зубчатых зацеплений, которые, в свою очередь, приводят в действие отсчетное устройство (см. патент ЕР 0128838 А2 МПК G01F 3/225 19.12.1984 - прототип).

Недостатками известной конструкции являются отсутствие устройства температурной коррекции, что ведет к увеличению погрешности измерений газового счетчика при отклонении температуры измеряемой среды от нормальной температуры плюс 20°С, невозможность организации установки отсчетного устройства как с правой, так и с левой стороны для обеспечения вариантности монтажа счетчика газа.

Техническим результатом, на который направлено изобретение, является уменьшение погрешности измерений, уменьшение габаритов и упрощение возможных вариантов конструкций.

Указанный результат достигается реализацией известного способа температурной коррекции показаний объемного мембранного счетчика газа с вращательным клапаном газораспределения, включающего изменение показаний отсчетного устройства счетчика в зависимости от изменений температуры газа, в котором, согласно изобретению, температурную коррекцию осуществляют изменяя циклический объем счетчика газа пропорционально изменению температуры, причем при увеличении температуры газа циклический объем газа пропорционально увеличивают, а частоту вращения вращательного клапана газораспределения уменьшают, при снижении температуры циклический объем газа пропорционально уменьшают, а частоту вращения вращательного клапана газораспределения увеличивают, кроме того фазы колебаний мембран устанавливают так, что в момент достижения максимального отклонения одной мембраной, отклонение второй мембраны находится в пределах от 0,35Lmax до 0,8Lmax, где Lmax - максимальная амплитуда отклонения мембран.

Предлагаемый способ реализуется в известном мембранном счетчике газа с вращательным клапаном газораспределения, включающим измерительный узел, отсчетное устройство, как минимум две мембраны, кинематически связанные с вращательным клапаном газораспределения, в котором, согласно изобретению, вращательный клапан газораспределения связан посредством зубчатой передачи с устройством температурной коррекции, содержащем две ассиметричные подковообразные термобиметаллические пластины, соединенные с рычагами колебаний мембран, причем колебания мембран сфазированы так, что в момент максимального отклонения одной мембраны, другая мембрана находится в пределах от 0,35Lmax до 0,8Lmax, где Lmax - максимальная амплитуда отклонения мембран, причем, зубчатая передача включает в себя одно зубчатое колесо, установленное соосно с вращательным клапаном газораспределения и другое, контактирующее с ним зубчатое колесо, установленное на оси устройства температурной коррекции, причем оба зубчатых колеса равновелики, кроме того, как минимум два рычага колебания мембран выполнены пересекающимися и образующими собой букву «X», а устройство температурной коррекции расположено на закрепленном на корпусе измерительного узла «П» - образном мосту так, что оси вращательного клапана газораспределения и устройства температурной коррекции разнесены друг от друга, причем на мосту выполнены места для возможного размещения совокупности зубчатых зацеплений, обеспечивающие установку отсчетного устройства как для правого, так и для левого исполнения мембранного счетчика газа.

Предлагаемое устройство проиллюстрировано на фиг. 1-5, где:

1. Корпус;

2. Отсчетное устройство;

3. Измерительный узел;

4. Корпус измерительного узла;

5. Ось;

6. Рычаг;

7. Мембранный блок;

8. Крышка;

9. Распределитель;

10. Вращательный клапан газораспределения;

11. Ось;

12. Зубчатое колесо;

13. Мост;

14. Ось;

15. Устройство температурной коррекции;

16. Совокупность зубчатых зацеплений;

17. Рычаг колебания мембраны;

18. Рычаг колебания мембраны;

19. Планка;

20. Планка;

21. Патрубок выходной;

22. Корпус устройства температурной коррекции;

23. Пластина;

24. Ползунок;

25. Фиксатор;

26. Шток;

27. Фиксатор;

28. Пластина;

29. Фиксатор;

30. Втулка;

А - пассивный слой.

На фиг. 1 представлен мембранный счетчика газа с вращательным клапаном газораспределения в общем виде, реализующий способ температурной коррекции мембранного счетчика газа с вращательным клапаном газораспределения.

На фиг. 2 представлен общий вид мембранного счетчика газа с вращательным клапаном газораспределения в разнесенном виде, реализующего способ температурной коррекции мембранного счетчика газа с вращательным клапаном газораспределения.

На фиг. 3, 4 представлен измерительный узел мембранного счетчика газа с вращательным клапаном газораспределения.

На фиг. 5 представлено устройство температурной коррекции мембранного счетчика газа с вращательным клапаном газораспределения.

Мембранный счетчик газа с вращательным клапаном газораспределения и устройством температурной коррекции (далее - счетчик газа) состоит из герметичного корпуса 1, отсчетного устройства 2, измерительного узла 3. Измерительный узел 3 счетчика газа состоит из корпуса измерительного узла 4, двух осей 5, на которые крепятся рычаги 6, обеспечивающие поступательное движение мембранных блоков 7, при этом мембранные блоки 7 организовывают в совокупности с корпусом измерительного узла 4 четыре измерительных камеры, причем герметичность крайних измерительных камер от плоскости симметрии корпуса измерительного узла 4 обеспечивают крышки 8. На верхнюю плоскость корпуса измерительного узла 4 устанавливается распределитель 9, имеющий так же четыре отверстия, каждое из которых соединено с одной из измерительных камер. Вращательный клапан газораспределения 10 установлен на ось 11, которая запрессована в корпус измерительного узла 4 и проходит через распределитель 9. Кроме того, на ось 11 устанавливается зубчатое колесо 12, которое кинематически связано с вращательным клапаном газораспределения 10 для передачи крутящего момента. Мост 13 устанавливается на корпус измерительного узла 4. В мост 13 впрессовывается ось 14, причем ось 14 и ось 11 находятся в плоскости симметрии корпуса измерительного узла 4. Устройство температурной коррекции 15 устанавливается на ось 14 и кинематически связывается с зубчатым колесом 12. Совокупность зубчатых зацеплений 16 размещена в местах установки на мосту 13, причем возможно расположение совокупности зубчатых зацеплений 16 как с левой, так и с правой стороны для вариантности установки отсчетного устройства 2. Рычаг колебания мембраны 17, рычаг колебания мембраны 18 запрессовываются на оси 5 (см. фиг. 3, 4). Планка 19, планка 20 соединяются с рычагом колебания мембраны 17 и рычагом колебания мембраны 18 соответственно с одной стороны и устройством температурной коррекции 15 с другой стороны посредством шарнирных соединений таким образом, что рычаг колебания мембраны 17 и рычаг колебания мембраны 18 образуют букву «X». «X» - образное расположение рычага колебания мембраны 17 и рычага колебания мембраны 18 позволяет уменьшить геометрические размеры корпуса 1. Патрубок выходной 21 крепится к корпусу измерительного узла 4 и обеспечивает выход измеряемого газа потребителю. Рычаг колебания мембраны 17 и рычаг колебания мембраны 18 являются симметричными относительно плоскости симметрии корпуса измерительного узла 4, а планка 19 и планка 20 являются равновеликими, причем размеры рычагов колебания мембран 17, 18 и планок 19, 20 выбираются таким образом, что в момент максимального отклонения мембраны одного мембранного блока, другая мембрана другого мембранного блока находится в пределах от 0,35Lmax до 0,8Lmax, оптимальные значения (0,56÷0,59)Lmax, где Lmax - максимальная амплитуда отклонения мембран мембранных блоков. При выходе из диапазона отклонения мембран от 0,35Lmax до 0,8Lmax вращение элементов конструкции существенно затруднено.

Устройство температурной коррекции 15 состоит из корпуса устройства температурной коррекции 22, нижняя часть которого представляет собой зубчатое колесо равновеликое зубчатому колесу 12, пластины 23, которая представляет собой подковообразную термобиметаллическую пластину, один конец которой закреплен в ползунке 24 посредством фиксатора 25, а на другой установлен шток 26, закрепленный фиксатором 27 таким образом, что центр штока 26 проходит через ось симметрии (см. фиг. 5). На шток 26 крепятся планки 19, 20, обеспечивая кинематическую связь с мембранными блоками 7. Ползунок 24 устанавливается в паз корпуса устройства температурной коррекции 22. Пластина 28 представляет собой подковообразную термобиметаллическую пластину, один конец которой закреплен на корпусе устройства температурной коррекции 22 фиксатором 29, а второй конец связан с ползунком 24, причем пластина 23 и пластина 28 ассиметричны. Втулка 30 обеспечивает посадку на ось 14.

Подготовка к работе счетчика газа заключается в подключении магистралей измеряемого газа к разъемам корпуса 1, как показано на фиг. 1.

Работа счетчика газа при температуре 20°С.

Газ избыточного давления через вход корпуса 1 поступает в измерительный узел 3. Газ через отверстия распределителя 9 поочередно поступает в четыре измерительные камеры, образованные корпусом измерительного узла 4, мембранными блоками 7 и крышками 8 слева и справа относительно плоскости симметрии корпуса измерительного узла 4. При входе в измерительные камеры газ приводит в поступательное колебание мембранные блоки 7 амплитудой Lmax, связанные с рычагами колебания мембран 17, 18, которые начинают совершать вращательные движения с осями 5. Ось 5, связанная с рычагом колебания мембраны 18 и планкой 20 и ось 5, связанная с рычагом колебания мембраны 17 и планкой 19, приводят в движение устройство температурной коррекции 15, которое посредством зубчатого зацепления передает крутящий момент на зубчатое колесо 12. Зубчатое колесо 12 передает крутящий момент соединенному с ним вращательному клапану газораспределения 10 и совокупности зубчатых зацеплений 16 с частотой вращения ω₂₀, где ω₂₀ - частота вращения (об/с) при температуре газа Т=20°С. Движение вокруг оси 11 вращательного клапана газораспределения 10 обеспечивает попеременное заполнение и опустошение измерительных камер, а вращение элементов конструкции отсчетного устройства 2 посредством совокупности зубчатых зацеплений 16 обеспечивает индикацию прошедшего объема газа через счетчик газа.

Работа счетчика газа при изменении температуры.

Изменение температуры измеряемой среды влечет изменение температуры пластин 23, 28. При изменении температуры пластин 23 и 28 в них возникают внутренние напряжения и происходит их изгиб (при нагревании - в сторону пассивного слоя А (при охлаждении - наоборот) см. фиг. 5), что приводит к перемещению ползунка 24 и штока 26. Поскольку шток 26 посредством планок 19, 20 кинематически связан с рычагами колебания мембран 17, 18, то изменение положения штока 26 приводит к изменению циклического объема счетчика газа. Причем, геометрия и материал пластин 23, 28 выбираются таким образом, чтобы изменение циклического объема счетчика газа описывалось выражением:

где t - температура газа, °С;

V_t - циклический объем счетчика газа при температуре газа, проходящего через счетчик;

V₂₀ - циклический объем счетчика газа при температуре 20°С.

Изменение циклического объема счетчика газа V_t ведет к изменению частоты вращения вращательного клапана газораспределения 10 и элементов конструкции отсчетного устройства 2, причем

где:

ω_t - частота вращения вращательного клапана газораспределения при температуре t, об/с.

То есть, при увеличении температуры газа t частота вращения вращательного клапана газораспределения ω_t уменьшается, а циклический объем счетчика газа V_t увеличивается и, наоборот, при уменьшении температуры газа t частота вращения вращательного клапана газораспределения ω_t увеличивается, а циклический объем счетчика газа V_t уменьшается. Другими словами, устройство температурной коррекции 15 изменяет частоты вращения вращательного клапана газораспределения 10 и элементов индикации отсчетного устройства 2, которые связаны между собой кинематически, так, что массовый расход газа, проходящий через счетчик газа в единицу времени, не зависит от изменения температуры измеряемой среды, что и является температурной коррекцией показаний устройства.

Таким образом, применение предлагаемого технического решения позволяет повысить точность и эффективность учета такого важного энергоресурса, как природный газ, за счет корректировки показаний в зависимости от температуры измеряемого газа, использование «Х»-образных рычагов обеспечивает уменьшение габаритов счетчика газа, а применение «П»-образного моста в измерительном узле счетчика газа позволяет устанавливать отсчетное устройство как с левой, так и с правой стороны, для вариантности монтажа счетчика газа.